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Kontrolle durch intermolekularen Ladungstransfer

Um beide ITO-Elektroden simultan optisch nutzen zu können, wurden zwei verschiedene EC-Moleküle im Elektrolyten Propylenkarbonat gelöst. Das Viologen 1,1‘-Dibenzyl-4,4‘bipyridin wird durch Oxidation (Elektronenabgabe) an der einen ITO-Elektrode in den absorbierenden tiefblauen Zustand geschaltet. Zugleich geht das Phenazin 5,10-Dimethyl-5,10-ihydrophenzin durch Reduktion (Elektronenaufnahme) an der anderen ITO-Elektrode in seinen grünen Zustand über.

Die spektrale Antwort des Gesamtsystems besteht demnach auf Grund der Schichtung der beiden gefärbten Molekülspezies aus der Superposition beider spektralen Antworten. Die geladenen, absorbierenden Moleküle diffundieren von ihrer jeweiligen Elektrode zur Mitte der elektrochemischen Zelle. Durch intermolekularen Ladungstransfer neutralisieren sich die Moleküle und schalten zurück in den entfärben Zustand. Eine zeitlich konstante Färbung erfordert somit einen kontinuierlichen Stromfluss durch die Zelle.

Bildergalerie

Der chemische Aufbau der Moleküle wurde so gewählt, dass die Überlagerung ihrer Absorptionsspektren ein nahezu neutrales, d.h. graues Absorptionsverhalten zeigt. Bild 1b zeigt die vier möglichen Schaltzustände einer Iris mit zwei aktiven Blendenstufen. Der innere kreisförmige Bereich bleibt in diesem Design immer geöffnet. Bei der Bildaufnahme wurde die maximal mögliche elektrische Stromstärke von 1,2mA bei ca. 2V Spannung und einer Leistungsaufnahme von etwa 2,4mW eingeprägt. Bei diesem Stromfluss ist die optische Absorption gesättigt. Der so erzielbare optische Kontrast - berechnet aus dem Verhältnis der Transmission zwischen ein- und ausgeschaltetem Zustand - liegt bei einer Wellenlänge von 600nm annähernd bei 50. Thermische Effekte auf Grund der geringen elektrischen Leistungsaufnahme konnten nicht nachgewiesen werden.

Durch die Verringerung der Stromstärke kann die Transmission jeder einzelnen Blendenstufe auf Grund des Volumeneffektes beliebig zwischen den beiden extremen Zustanden für verschwindende und maximale Stromstärke eingestellt werden (Bild 2); ein Verhalten, das bei apodisierenden Optiken durchaus erwünscht ist, während bei einer Iris die Sättigung angestrebt wird. Eine besondere Eigenschaft dieser Iris ist, dass man jede Blendenstufe individuell schalten kann, hier z.B. die innere Blendenstufe (Bild 2 c) unabhängig von der äußeren.

Dies ist mit konventionellen mechanischen oder Fluid-basierten Blenden nicht möglich. Die flexible Schaltbarkeit der individuellen Stufe eröffnet erstmals die Möglichkeit, eine Bandpass-oder Hochpassfiltercharakteristik für die fourieroptische online-Filterung zu realisieren, die mit konventionellen Blenden unerreichbar ist. Anstelle einer kreisförmigen Blende kann auch jede beliebige 2D-Geometrie verwirklicht werden.

Die Schärfentiefenkontrolle ist eine wichtige Anwendung einer Iris z.B. in Kameraobjektiven oder - aktuell aufkommend - auch in den Objektiven von Smartphones. Daher wurde die elektrochrome Iris direkt hinter einer abbildenden Linse installiert. Drei Spielfiguren wurden als Gegenstände in verschiedenen Abständen zu der Abbildungslinse hintereinander aber seitlich versetzt aufgestellt (Bild 3). Nur die vordere Figur stand im richtigen Abbildungsabstand zur Kamera und wurde bei vollständig geöffneter Blendenöffnung scharf abgebildet, während die anderen Figuren außerhalb des Schärfentiefebereichs lagen.

Die Abstände der beiden anderen Figuren wurden so gestaffelt, dass die zweite Figur bei der äußeren Blendenstufe und die dritte Figur nur bei Nutzung beider Blendenstufen ausreichend scharf abgebildet wurden. Im Vergleich dazu wurden Bilder mit einer herkömmlichen mechanischen Iris im gleichen Aufbau aufgenommen. Es zeigt sich, dass die EC-Iris qualitativ gleichwertige Ergebnisse liefert, aber darüber hinaus eine zusätzliche Funktionalität bereitstellt.

Literaturhinweise:

[1] H. Zappe, Fundamentals of Micro-Optics, Cambridge University Press, 2010.

[2] P.M.S. Monk, R. J. Mortimer, D. R. Rosseinsky, Electrochromism and Electrochromic Devices, Cambridge University Press, 2007.

[3] T. Deutschmann, E. Oesterschulze, Micro-structured electrochromic device based on poly(3,4-ethylenedioxythiophene), J. Micromech. Microeng. 23, 065032, 2013.

[4] T. Deutschmann, E. Oesterschulze, Integrated electrochromic iris device for low power and space-limited applications, J. Opt., 16, 075301, 2014.

[5] D. Pätz, T. Deutschmann, E. Oesterschulze, St. Sinzinger, Depth of focus analysis of optical systems using tunable aperture stops with a moderate level of absorption, Applied Optics, 53 (28) 6508, 2014.

[6] T. Deutschmann, D. Pätz, S. Sinzinger, L. Walder, E. Oesterschulze, submitted to Journal of Optics, 2015.

* Prof. Dr. E. Oesterschulze ist Arbeitsgruppenleiter Physik und Technologie der Nanostrukturen an der Technischen Universität Kaiserslautern

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