CN100403866C - 具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗 - Google Patents

Abstract

具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，属于光学透明件电磁屏蔽领域，随着各种电子设备的广泛应用，很多应用光学窗的场合都要求光学窗在具有高透明度的同时还具有较强的宽波段电磁屏蔽能力，如飞行器的光学窗、医疗用电磁隔离室光学窗；党政机关、商业、科研等重要办公场所的窗玻璃要防止室内电脑等电子设备在工作时重要信息以电磁辐射形式向窗外传播造成泄密等。具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：由具有圆环外形的金属网栅单元，按二维正交排列方式密接排布构成网栅阵列并加载于光学窗透明基片表面。本发明的产品用于航天、医疗、公用、民用的电磁屏蔽。

Description

具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗

技术领域

本发明属于通讯设备、医疗诊断仪器、保密设施和航空航天装备等光学透明件电磁屏蔽领域，特别涉及一种具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗。

背景技术

随着各种电子设备的广泛应用，很多应用光学窗的场合都要求光学窗在具有高透明度的同时还具有较强的宽波段电磁屏蔽能力，如飞行器的光学窗必须进行电磁屏蔽以防有害电磁信号进入造成舱内电子设备失效，以及防止舱内通信、操作和数据等重要信息以电磁辐射形式透出光学窗造成电磁泄漏；医疗用电磁隔离室光学窗要保证室内的电磁波绝大部分被屏蔽而防止室外操作人员长期被电磁波辐射而损害健康；党政机关、商业、科研等重要办公场所的窗玻璃在保证采光性的同时，要防止室内电脑等电子设备在工作时重要信息以电磁辐射形式向窗外传播造成泄密等。目前这种光学窗的电磁屏蔽主要采用金属网栅、透明导电薄膜、金属诱导透射型多层膜结构、带阻型频率选择表面等。

透明导电薄膜主要指的透明金属氧化物薄膜，最常用的是氧化铟锡(ITO)，一般只用于可见光区域透明的场合，屏蔽波段较宽，主要不足是不能兼顾较宽的透过波段且微波屏蔽能力不强。金属诱导透射型多层膜结构包含有单层或者多层薄金属膜，在低频屏蔽能力较强，透过区域主要是可见光和紫外区域，缺点是透过区域透过率不高。带阻型频率选择表面一般通过合理设置单元图形及其尺寸，可实现单个窄波段和多个窄波段的电磁屏蔽，因而不适于宽波段电磁屏蔽。对于从甚高频(VHF)到微波这一应用最广泛的宽波段进行电磁屏蔽，同时又要保证光学窗在较宽的波段内透明(如从红外到可见光区域)且保持较高的透过率，上述各技术方案均存在各种不足。相比而言，金属网栅由于具有可调整的结构参数，网栅周期相对于红外和可见光波长很大，可以实现高透光率，相对于微波波长又很小，可以实现低频宽波段内较好的电磁屏蔽功能。传统的方格金属网栅结构由二维正交的金属刻线构成周期单元，但这种方格网栅通光特性与屏蔽特性存在固有的矛盾，很难同时具有较高的通光能力和屏蔽能力，虽然优于其它技术方案，但在电磁屏蔽要求和透光能力要求不断提高的情况下，也不能完全满足实际需要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有的光学窗电磁屏蔽技术方案的不足，特别是针对方格网栅存在的通光能力与屏蔽能力的矛盾问题，提出一种新颖的圆环金属网栅结构用于光学窗电磁屏蔽，使之能够在与方格网栅具有相同的结构参数(周期和线宽)的同时，实现通光能力与屏蔽能力同时提高。

本发明是通过以下的技术方案实现的：

具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，由具有圆环外形的金属网栅单元，按二维正交排列方式密接排布构成网栅阵列并加载于光学窗透明基片表面。

上述的具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，所述的圆环由导电金属或者合金构成，包括金、银、铜、铝。

上述的具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，所述的圆环部分的金属厚度大于200nm。

上述的具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，相邻圆环切点处具有金属覆盖部分。

上述的具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，所述的圆环金属网栅阵列与光学窗透明材料之间要用铬或者钛材料构成粘接层。

上述的具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，所述的圆环周期小于屏蔽最小微波波长的0.5倍。

上述的具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，附有圆环金属网栅的光学窗要与窗框或其它形式的外接部分电联接。

上述的具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，在光学窗附有圆环金属网栅的侧表面镀增透膜。

上述的具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，在所述的圆环金属网栅的表面镀保护膜。

这个技术方案有以下有益效果：

1.在一个周期单元内，相同周期和线宽的圆环网栅与方格网栅相比，覆盖金属的部分所占面积更小，因而圆环结构的透光率更高，这是圆环金属网栅的优越性之一；

2.在一个周期单元内，相同周期和线宽的圆环网栅与方格网栅相比，方格网栅的最小通光线度为周期长度，最大为倍周期长度，而圆环结构的最大通光线度为周期长度，因而圆环网栅的屏蔽效率要高于方格网栅，这是圆环网栅结构的优越性之二；

3.相同周期和线宽的圆环网栅与方格网栅相比，高级次衍射能量比例减小且分布更加均匀，有利于光学窗后成像系统的成像质量提高，这是圆环网栅结构的优越性之三。

4.圆环网栅结构保持了方格网栅屏蔽波段宽、透过波段宽、对电磁波极化不敏感的特性，且未造成其它不利影响。

5.本发明提出的圆环金属网栅单元按二维正交阵列排布，以保证其对电磁场极化不敏感。相邻圆环单元是密接导电的，由于圆与圆之间是点相切，为保证相邻圆环的密接导电，它们切点之间须有一定的覆盖面积。

6.本发明提供的附有网栅层的光学窗可在单侧或者两侧镀增透膜以增加透光率；网栅层表面可以镀保护膜来防止划伤，同时还能防止金属被腐蚀或氧化而降低屏蔽能力。相对于传统方格金属网栅，采用圆环金属网栅的新型光学窗能够同时有效的提高透光能力和微波屏蔽能力。

附图说明

附图1是本发明的一种具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗剖面结构示意图。

附图2是已有的方格金属网栅结构示意图。

附图3是本发明的圆环金属网栅结构示意图。

附图4是本发明的圆环金属网栅相邻圆环切点处的一种覆盖方式示意图。

附图5是本发明的圆环网栅与已有方格网栅透光率比较示意图。

附图6是已有的方格网栅在12～18GHz屏蔽效率实测值与理论值比较示意图。

附图7是本发明的圆环网栅在12～18GHz屏蔽效率实测值与相同结构参数的方格网栅理论值比较示意图。

附图8是已有方格网栅高级次衍射及其相对强度分布示意图。

附图9是本发明的圆环网栅高级次衍射及其相对强度分布示意图。

具体实施方式

本发明的圆环由导电性能良好的金属或合金构成并具有一定的厚度，圆环按二维正交排列分布，相邻圆环在切点处覆盖适当面积的金属以确保所有圆环之间都导通。网栅层可通过铬或钛等作为粘接层与光学窗透明基片牢固连接；附有网栅层的光学窗可在单侧或者两侧镀增透膜以增加透光率；网栅层表面可以镀保护膜来防止划伤，同时还能防止金属被腐蚀或氧化而降低屏蔽能力。相对于传统方格金属网栅，采用圆环金属网栅的新型光学窗能够同时有效的提高透光能力和微波屏蔽能力。

本发明采用金属圆环结构代替方格结构作为网栅结构单元，圆环由导电性良好的金属或合金材料构成，如金、银、铜、铝等，圆环金属与透明材料之间用铬或钛等材料做粘接层以增加机械强度，圆环金属结构有一定的线宽和厚度，线宽越小越好，一般为几个微米，厚度要使该层金属的电导率接近其直流电导率，一般大于200nm。所述的圆环周期小于屏蔽最小微波波长的0.5倍。

圆环金属网栅外部根据需要可以镀增透膜和保护膜。

本发明的圆环网栅的实施例和附图详细说明如下：

附图1是本发明的具有圆环金属网栅的电磁屏蔽光学窗的一种典型优选结构剖面示意图。图中5为本发明提出的圆环金属网栅结构层；4为光学窗透明材料基片层，材料可为任意透明材料，只要其能够作为满足使用场合要求的透明光学窗材料，同时能够将金属网栅5按一定的工艺流程加工于其上；1为连接光学窗基片4和网栅5的粘接层，特殊情况下也可不用粘接层，如将网栅加载于两片基片之间时，粘接层的优选材料是铬、钛等材料；2为镀在金属网栅5表面的保护层，可以是单层或者多层，目的是防止金属部分长期暴露于空气中造成腐蚀和氧化，降低屏蔽能力，同时也防止金属网栅5被划伤，但此层依据光学窗的工作环境需求，并非必须；3为单层或者多层增透膜，目的是增强光学窗的透光能力，依据工作要求，也可以加工在金属网栅5的外侧，此层结构依据工作环境要求也并非必须。

附图3是本发明的圆环金属网栅结构示意图，网栅单元为圆环金属片，材料为导电性能良好的金属或者合金，如金、银、铜、铝等；在光学窗平面内，圆环金属片单元按二维正交排列分布，每个金属环都与周围金属环紧密连接，为此在相邻圆环的切点处作一定面积的覆盖(覆盖部分面积尽量小)，以能够保证切点间是可靠的电联接。附图4是一种优选的连接方式，其中a为网栅的线宽，要求相邻圆环切点的覆盖部分(矩形)在保证c＞a的条件下，b按加工工艺水平越小越好。依据加工工艺水平，也可以采用其它联接方式。

金属圆环的厚度要使该层金属的电导率接近其直流电导率，一般大于200nm。圆环的外直径为g，内直径为g-2a，内外直径的选取一方面依赖于要达到的通光能力和屏蔽能力，另一方面也要兼顾加工工艺水平。下面详述这种圆环金属网栅相对于传统方格网栅的性能改善以及圆环网栅参数的选取方法。

如附图3所示的圆环网栅结构与如附图2所示的方格网栅结构，在一个周期单元内，相同周期和线宽时，圆环网栅覆盖金属的部分所占面积更小，因而圆环结构的透光率更高。附图5为周期固定，线宽变化时两种网栅结构的透光率比较示意图，可见圆环网栅的透光率要明显优于方格网栅。

在一个周期单元内，相同周期和线宽的圆环网栅与方格网栅相比，方格网栅的最小通光线度为周期长度，最大为

倍周期长度，而圆环网栅的最大通光线度为周期长度，因而圆环网栅的屏蔽截止波长更短，屏蔽效率要高于方格网栅，这已经得到实验验证。实际加工中因各种误差因素的影响，两种结构可以保证周期一致，但很难保证线宽的一致性，因此分别用实测线宽计算得到的理论值和对应的实测屏蔽效率来比较，结果如附图6、附图7。附图6为方格网栅屏蔽效率理论值与实测值的比较，可见实测值低于理论值，这是合理的；附图7用实测圆环线宽按方格网栅计算得到的理论值和圆环网栅实测屏蔽效率值比较，圆环网栅的实测值高于相同结构参数的方格网栅的理论值，而这一理论值按附图6的结论应该高于相同结构参数的方格网栅实测值，很显然，结构参数相同时，圆环网栅的屏蔽效率要优于方格网栅。

由于圆环网栅总诱光率优于方格网栅，则对成像有价值的零级诱光率也自然高于方格网栅，同时高级次衍射总能量减小，杂散光总量减小，这对成像有利。再看高级次衍射能量分布，附图8和附图9分别为已有的方格网栅和本发明的圆环网栅高级次衍射的位置分布及相对强度示意图。由附图8可见，方格网栅的强度较大的高级次衍射主要分布在两个轴向，相对强度值也较大，对成像影响也大；而由附图9可见，圆环网栅结构的高级次衍射强度分布比较均匀，最大相对强度也比方格网栅的最大强度小很多，因此圆环网栅具有平滑高级次衍射造成的杂散光的作用，对光学窗后成像系统的成像有利。

本发明的圆环金属网栅的最优设计方法为：先由光学窗所要求的最低通光要求确定网栅周期和线宽的比值2a/g，然后根据加工工艺水平所能加工的最小线宽2a来确定圆环网栅的周期g，这样设计出的网栅具有最优的屏蔽效率，网栅线宽也不宜过小，一般不低于500nm，以保证金属的直流电导率不会显著降低。

本发明的圆环金属网栅可以采用如下的加工方法加工制作：由机械刻划或者电子束直写等方式制作掩模，光学窗透明基片进行清洗后镀铬或者钛作为粘接层，其上镀金属薄膜，然后涂覆光刻胶，利用已加工好的掩模进行光刻，最后进行干法或者湿法刻蚀，去胶后得到圆环网栅图案。也可以省去掩模制作环节，而直接采用激光直写的办法来制作圆环金属网栅图案。其它的微电子加工工艺流程或二元光学元件制作流程等也可以用来制作本发明的圆环网栅结构。

本发明所涉及的光学窗材料由实际应用场合决定，可以是普通玻璃、石英玻璃、红外材料、透明树脂材料等，本发明的圆环金属结构要根据光学窗材料采取合适的加工工艺流程使之完全覆盖于光学窗之上，并且能够和窗框等实现可靠的电联接以保证优良的电磁屏蔽功能。实际应用中，附有圆环网栅的光学窗表面可以镀增透膜来增加透光能力，也可以在网栅层表面镀一层保护膜以防止金属结构长期放置于空气中遭到腐蚀或氧化而降低屏蔽能力，也防止网栅层遭到划伤、磨损或其它破坏。

以上结合附图对本发明的具体实施方式和测试效果作了说明，但这些说明依照法律规定并不限制本发明的范围，本发明的保护范围由权利要求书限定，任何包含本发明权利要求或以其为基础的改动都是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：由具有圆环外形的金属网栅单元，按二维正交排列方式密接排布构成网栅阵列并加载于光学窗透明基片表面，相邻圆环在切点处覆盖适当面积的金属以确保所有的圆环密接导电。

2.根据权利要求1所述的具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：所述的圆环由导电金属或者合金构成，包括金、银、铜、铝。

3.根据权利要求1或2所述的具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：所述的圆环部分的金属厚度大于200nm。

4.根据权利要求1或2所述的具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：所述的圆环金属网栅阵列与光学窗透明材料之间要用铬或者钛材料构成粘接层。

5.根据权利要求1或2所述的具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：所述的圆环周期小于屏蔽最小微波波长的0.5倍。

6.根据权利要求1或2所述的具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：附有圆环金属网栅的光学窗要与窗框或其它形式的外接部分电联接。

7.根据权利要求1或2所述的具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：在光学窗附有圆环金属网栅的侧表面镀增透膜。

8.根据权利要求1所述的具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：在所述的圆环金属网栅的表面镀保护膜。

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