Optik

Elektrochrome Mikro-Iris ohne mechanische Komponenten

| Autor / Redakteur: Von T. Deutschmann, E. Oesterschulze / Sebastian Gerstl

Bild 1: a) Ausführung einer elektrochromen Iris-Blende als elektrochemische Zelle mit zusätzlichen Au/Cr-Elektroden für die Kontaktierung. b) Die vier möglichen Schaltzustände einer EC-Iris mit zwei Blendenstufen, wobei das Schalten der inneren Blendenstufe (oben rechts) so nur mit der EC-Iris möglich ist.
Bild 1: a) Ausführung einer elektrochromen Iris-Blende als elektrochemische Zelle mit zusätzlichen Au/Cr-Elektroden für die Kontaktierung. b) Die vier möglichen Schaltzustände einer EC-Iris mit zwei Blendenstufen, wobei das Schalten der inneren Blendenstufe (oben rechts) so nur mit der EC-Iris möglich ist. (Bild: Journal of Optics)

Anwendungen im Bereich der Mikrooptiken entwickeln sich rasant weiter. Da hier die konventionellen mechanischen Iridien nicht weiterhelfen, musste ein völlig neuartiges System entworfen werden.

Optische Systeme und Technologien stellen auf Grund ihrer vielseitigen Einsatzmöglichkeiten auch in Zukunft einen wichtigen Wachstumsmarkt dar. Dabei reichen die Anwendungsfelder von der reinen visuellen Beobachtung im Mikro- wie Makrobereich über die breit aufgestellte spektrale Analytik, die Kurzpuls-basierten Messtechniken für die Nanoanalytik bis hin zu Anwendungen im Consumer-Bereich.

Lagen die Dimensionen der Anwendungsoptiken bisher im Makrobereich, so beginnt sich inzwischen die Mikrooptik rasant zu entwickeln [1]. Damit sind aktive optische Systeme gemeint, die auf Grund ihres geringen Bauvolumens auf sehr spezielle Anwendungsbereiche wie z.B. minimalinvasive Operationstechniken abzielen.

Neben den abbildenden Optiken mit aktiv durchstimmbaren Brennweiten, stellen die Iriden ein wichtiges mikrooptisches Bauelement dar. Sie werden als Aperturblende zur Intensitätskontrolle oder als Gesichtsfeldblende zur Festlegung des abzubildenden Gegenstandbereichs benötigt. Dabei lässt sich durch gezieltes Abblenden die Schärfentiefe kontrollieren. Ein weiteres sehr wichtiges Anwendungsfeld stellen die fourieroptischen Filtertechniken dar, die aktuell für die Bildverarbeitung online unverzichtbar sind.

In der Mikrooptik können die konventionellen Lamellen-basierten, d.h. mechanischen Iriden, jedoch auf Grund ihrer Dimension und der erforderlichen volumenhaften Aktorik mit ihrer hohen Leistungsaufnahme nicht verwendet werden. Daher wurde ein Iridensystem entwickelt, das auf mechanisch bewegte Teile vollständig verzichtet.

Als optisch aktives Medium werden elektrochrome (EC) Materialien eingesetzt, die in einer elektrochemischen Zelle im Elektrolyten gelöst eingebettet sind [2]. Diese Materialien verändern durch Anlegen eines geeigneten elektrochemischen Potentials ihre optische Absorption drastisch mittels eines im Material ablaufenden Reduktions- oder Oxidationsprozesses. Dabei liegen die Steuerspannungen im Bereich von typisch 2-3 V inklusive der unvermeidlichen Spannungsabfälle an den Steuerleitungen. Elektrochrome Materialien werden seit längerem als Funktionsmaterial für ganzflächig dimmbare Fensterscheiben in Häusern oder in Rückfahrspiegeln von Fahrzeugen eingesetzt [2].

Die Anwendung dieser Materialien in einem mikrooptischen Bauelement mit lateral örtlich variabler Absorption wie z.B. einer Iris erfordert einen deutlich erhöhten technologischen Aufwand [3].

Jedes elektrochrome Bauelement stellt prinzipiell eine elektrochemische Zelle dar [3,4]. Damit diese Anordnung optisch nutzbar ist, werden zwei dünne parallel zueinander ausgerichtete Glasplatten verwendet, die jeweils mit einer dünnen elektrisch leitfähigen und transparenten Indiumzinnoxid-Schicht (indium tin oxide kurz: ITO) beschichtet sind (Bild 1a).

Die Struktur der Blendenstufen der Iris werden per UV-Lithografie und folgendem nasschemischen Ätzen als koaxial ausgerichtete Kreisblendenanordnungen inklusive der Zuleitungen in die beiden ITO-Schichten übertragen. Danach werden die Glasplatten mittels UV-strukturierbaren 55µm dicken Trockenfilmlack (Ordyl) parallel zueinander ausgerichtet, verklebt und versiegelt.

Zuvor wird per UV-Lithografie eine kreisförmige Öffnung inklusive eines Kanals im Trockenfilmlack definiert. Durch diesen wird der Elektrolyt mit den darin gelösten EC-Materialien im Vakuum zwischen die Glasplatten eingefüllt und abschließend mit einem Polymermaterial (Crystal Bond) luft- und wasserdicht verschlossen. Um die wirksame Dicke des Elektrolyten zu variieren, wurden bis zu 5 Trockenfilmschichten aufeinander laminiert [3,4].

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