Temperature resistant electrochromic micro-iris with neutral color for quick image adaptation in micro-cameras for medical applications
Final Report Abstract
Im Rahmen des DFG-Transferprojekts wurden elektrochromen (EC) Materialien als Dünschichtsysteme auf TCO-Elektroden genutzt, um eine nichtmechanische, steuerbare Aperturblende mit drei Blendenstufen verschiedener Größe zu realisieren. Herausfordernd war dabei war die Schaltzeit der Irissegmente in einem Bereich von ca. 0,5 s zu reduzieren, bei gleichzeitig hohem optischen Kontrast und hoher Färbeeffizienz. Das Konzept, komplementäre elektrochrome Materialien (Viologen, TPB) an ausgewählte nanoporöse Elektroden (TiO2, ATO) zu immobilisieren, erwies sich dabei als sehr tragfähig, um diese Anforderungen zu erfüllen. Durch Anpassung der NPE Schichtdicken und chemische Struktur der EC Materialien (Kooperation mit Prof. L. Walder, Uni. Osnabrück) konnten ein nahezu optisch neutrales Absorptionsverhalten (Variation < 5%), ein hoher Michelsonkontrast (> 90%), ein für EC-Materialien sehr kurze Schaltzeit von 0,5 s und eine hohe Färbeeffizienz erzielt werden. Durch Optimierung der Aufbau- und Verbindungstechnik und Fügen des EC Bauteil in einer Argonatmosphäre konnte die geforderte Langzeitstabilität erreicht werden. Dazu musste eine hermetische Dichtung unter Verwendung von UV-Klebstoffen etabliert werden, die ihrerseits kompatibel zu den chemisch aggressiven Elektrolyten sein musste. Zudem ist für ihren Einsatz in Miniaturkameras für medizintechnische Applikationen die thermische Belastung des Bauteils von Bedeutung, da Temperaturen bis zu 60°C in der Anwendung und bis zu 140°C während des Autoklavierens auftreten können. Daher wurden die Materialien zusätzlich zu ihrer Funktionalität auch auf ihre thermische Beständigkeit untersucht und adaptiert. Die Herstellung der EC-Iriden erfolgte mittels MEMS kompatiblen Strukturierungsmethoden. Allerdings stellten die Nanopartikel eine besondere Herausforderung dar, da insbesondere das katalytisch wirksame poröse TiO2 nicht mit der UV-Lithographie kompatibel ist sondern Fotolacke zersetzt. Es wurde ein neuer Prozess etabliert und zum Patent eingereicht, der eine Strukturierung der NPE‘s obsolet macht. Jetzt müssen nur noch die TCO-Schichten in Form der Irissegmente strukturiert werden. Die früher auftretenden Spalte zwischen den Irisstufen können mit dem neuen Verfahren vollständig geschaltet werden, so dass jetzt eine durgehend schaltbare dreistufige Iris etabliert wurde, deren Blendenstufenzahl erhöht werden kann. Daraus ergibt sich jetzt die Möglichkeit, aktive Mikroiriden in medizin-technische Abbildungssysteme oder allgemeiner in Mikrooptiken (Kameras von Smartphones etc.) zu integrieren, was bis dato aufgrund des großen Einbauvolumens klassischer Mikroblenden nicht möglich war. Somit kann die Funktionalität von Mikrooptiken in Richtung aktive Schärfentiefekontrolle bzw. Einstellung der Gesichtsfeldblende erweitert werden.
Publications
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Electrochromic Iris for low-space and low-power Optical Applications, Bunsentagung, 116th General Assembly of the German Bunsen Society for Physical Chemistry, Physical Chemistry for Life Sciences, Kaiserslautern, 2017
C. Kortz, E. Oesterschulze
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TCO Coated Glasses for Dynamic Control of Electrochromic Filters Transparent, Conductive Oxides – Fundamentals and Applications (TCO),Leipzig, 2017
C. Kortz, A. Hein und E. Oesterschulze
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Electrochromic tunable filters based on nanotubes with viologen incorporation, Proc. SPIE Photonics Europe, Proceedings Volume 10679, Optics, Photonics, and Digital Technologies for Imaging Applications V; 106791U (2018)
A. Hein, C. Kortz und E. Oesterschulze
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Elektrochrome Bauteile für zukünftige Mikrooptiken, Physik in unserer Zeit, 49(3):113-114
E. Oesterschulze, C. Kortz, A. Hein
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High Contrast Electrochromic Iris Utilizing Complementary Molecules on Nanoporous Electrodes, The 13th International Meeting on Electrochromism (IME-13), Chiba, Japan, 2018
C. Kortz, A. Hein und E. Oesterschulze
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Titanium Dioxide Based Electrochromic Iris Preparation, Charactrisation and Application, Proc. Photoptics 2018 6th International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology
C. Kortz, A. Hein und E. Oesterschulze
