CN101917837A - 一种具有经纬形网栅结构的电磁屏蔽共形光学窗 - Google Patents
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Abstract
一种具有经纬形网栅结构的电磁屏蔽共形光学窗属于光学透明件的电磁屏蔽技术领域，包括共形光学窗壳体，①在共形光学窗壳体内侧面上制作经纬形金属网栅，该经纬形金属网栅将共形光学窗壳体内侧表面整体覆盖，或者②在共形光学窗壳体内表面上从外至内依次制作经纬形金属网栅和共形光学窗内壳体，且经纬形金属网栅将共形光学窗壳体的内表面和共形光学窗内壳体的外表面整体覆盖；经纬形金属网栅由金属经线和金属纬线组成，金属经线沿圆周方向以等圆心角均匀排列，金属纬线沿母线方向以金属网栅周期等间距排列，且金属经线和金属纬线互相电气连接；本发明适用于遥测遥感、医疗诊断、保密通讯、航空航天装备等军用和民用共形光学窗的电磁屏蔽技术。
Description
技术领域
本发明属于遥测遥感、医疗诊断、保密通讯、航空航天装备等光学透明件的电磁屏蔽技术领域，特别涉及一种具有经纬形网栅结构的电磁屏蔽共形光学窗。
背景技术
精密共形光学技术(Precision Conformal Optics Technology)是基于空气动力学原理，打破传统光学窗以平面和半球形为主的现状，采用非球面技术优化设计光学窗面型，缩减空气阻力、提高飞行速度；精密共形光学的研究成员Raytheon公司于1999年获得“共形光学”的国际专利“General asphere-conic conformal optical windows”，专利号WO 99/38033。
随着空间电磁环境的日益复杂，遥测遥感、医疗诊断、保密通讯、航空航天等领域中的光学窗存在着严重的电磁干扰问题：不仅有来自核辐射、雷电脉冲、宇宙射线等空间干扰信号，还有电视广播和卫星通信等民用信号，更有微波武器和电磁炸弹等军用干扰信号；由于光学窗的电磁通透性，上述电磁干扰信号将串入传感、制导和引信系统，必将对信号提取、检测及处理电路产生强电磁干扰，甚至导致光电探测器能量饱和、致盲、甚至被摧毁，严重影响了光电探测系统的正常工作。由此可见，光电探测系统存在的电磁干扰问题亟待解决。
目前，解决光学窗电磁干扰问题的措施主要采用透明导电薄膜、金属诱导透射型薄膜、频率选择表面技术和金属网栅技术等。
透明导电薄膜技术采用透明导电氧化物，如氧化铟锡薄膜，能实现对干扰电磁波的吸收，优点是可见光透射率高，屏蔽频段宽，缺点是红外波长透射率低，无法兼顾宽频段的高透射率，因此应用领域局限在可见光频段。
金属诱导透射型薄膜技术采用多层薄金属膜与介质膜结构实现对干扰电磁波的屏蔽，优点是可用于红外、可见光和紫外波长，且抗电磁干扰性能好，缺点是透光率较低，还不能满足光学制导对高透光率的要求。
频率选择表面技术采用周期性谐振单元结构实现带通型滤波器，已经成功用于雷达罩隐身领域，其优点是既能保证制导频段的正常工作，又能反射工作频带以外的干扰电磁波，缺点是金属覆盖率较高，导致光学透光率较低，降低了光学制导的成像质量，给光学图像处理、模式识别、目标搜索和跟踪带来困难，影响了光电制导的响应速度和性能。
综上所述，以上各种技术方案均无法同时满足光学窗对高透光率和宽频段电磁屏蔽的双重要求。相比而言，金属网栅具有优良的透明导电性能，完全满足光学窗对高透光率和宽频段电磁屏蔽的双重要求：金属网栅的周期比干扰电磁波长小得多，是一种亚波长周期阵列结构，干扰电磁波入射金属网栅时，高阶模衰减为倏逝波，占绝大部分能量的零级反射波被金属网栅散射到其他方向上去，避免干扰电磁波进入光学窗内部形成强烈的腔体散射效应，同时金属网栅也屏蔽了光学窗内仪器设备辐射的电磁波，降低了可探测性；与此同时，金属网栅也屏蔽了干扰电磁波对光电制导系统正常工作的影响，达到电磁屏蔽的功效。在光学制导波段，由于金属网栅周期远大于光学波长，通光率很高，同时金属线宽比光学波长小得多，对光学成像系统的零级点扩散函数影响甚微，所以金属网栅可以保证光学波长的高透射率；此外，金属网栅与框架相链接，还具有除霜雾、防静电的功能，因此金属网栅在光学窗电磁屏蔽技术领域获得了广泛的应用：
1.美国专利US4871220“Short wavelength pass filter having a metal mesh on a semiconducting substrate”描述了一种具有正方形结构的金属网栅，用于实现光学窗的抗电磁干扰性能；然而正方形结构的金属网栅难以实现在共形光学窗上均匀分布。
2.专利03135313.5“一种电磁屏蔽观察窗”用单重或多重金属丝网以及类半导体量子阱结构组合成电磁屏蔽结构，可实现10GHz以内超过50dB的屏蔽效率，该结构在可见光高透射区域的透光率达到50％以上；然而这种金属网栅也难以实现在共形光学窗上均匀分布。
3.专利93242068.0“电磁屏蔽玻璃”在两层玻璃之间夹导电金属网，在玻璃外侧用导电透明膜使之粘合在金属窗框上以构成电磁屏蔽结构，该结构有一定的采光性；然而这种金属网栅也难以实现在共形光学窗上均匀分布。
4.专利94231862.5“无莫尔条纹电磁屏蔽观察窗”采用由两层数目不同的金属网平行放置，且它们经线或则纬线有一定的夹角，以达到克服莫尔条纹现象，实现更清晰的视野；然而这种金属网栅也难以实现在共形光学窗上均匀分布。
5.专利0215754.7“高屏效防信息泄漏玻璃”在金属丝网两侧各有一层聚碳酸酯胶片，胶片外侧贴附一层玻璃，最后组合而成电磁屏蔽结构，该结构在透光率达到60％的情况下，具有较强的屏蔽效率；然而这种金属网栅也难以实现在共形光学窗上均匀分布。
6.专利200610084149.8“电磁波屏蔽薄膜及其制造方法”描述了一种基于光刻工艺形成的具有金属网状图案的高透明电磁屏蔽薄膜，该发明的主要目的在于减少金属耗用量和克服在金属层和薄膜基材之间使用固化胶造成的环境污染；然而这种金属网栅也难以实现在共形光学窗上均匀分布。
7.专利200610010066.4“具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗”描述了一种具有圆环外形的金属网栅单元，用于实现光学窗的电磁屏蔽功能；然而这种金属网栅也难以实现在共形光学窗上均匀分布。
8.专利200810063988.0“一种具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗”描述了一种由两层结构参数相同的方格金属网栅或则金属丝网平行放置与光学窗或透明衬底两侧构成的电磁屏蔽光学窗，在不降低透光率的同时，大幅度提高了电磁屏蔽效率；然而这种金属网栅也难以实现在共形光学窗上均匀分布。
9.专利200810063987.6“一种具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗”描述了一种由两层圆环金属网栅加载于光学窗两侧构成的电磁屏蔽光学窗，解决高透光率和强电磁屏蔽效率不能同时兼顾的问题；然而这种金属网栅也难以实现在共形光学窗上均匀分布。
上述传统的正方形和圆环形金属网栅适用于平面光学窗，却难以实现在球面、非球面等深度曲面光学窗上均匀分布。专利02133149.9“一种凹球面光刻刻划机”描述了一种在凹球面上制造超微细元件的光刻机，可以用于加工“纬纬相交型”金属网栅，该“纬纬相交型”金属网栅结构设计和制作工艺利用了球形窗内表面的同心特性，然而这种“纬纬相交型”金属网栅仅适用于球面光学窗，而共形光学窗是一种深度非球面结构，不具有球面光学窗的同心性的优点，因此“纬纬相交型”凹球面网栅不再适用于共形光学窗的抗电磁干扰技术，这也正是其缺点所在。
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，设计一种具有经纬形网栅结构的电磁屏蔽共形光学窗，以期该技术使共形光学窗具有高效能和宽频段的电磁屏蔽功能。
本发明的技术方案是：
一种具有经纬形网栅结构的电磁屏蔽共形光学窗，包括共形光学窗壳体，①在共形光学窗壳体内侧面上制作经纬形金属网栅，该经纬形金属网栅将共形光学窗壳体内侧表面整体覆盖，或者②在共形光学窗壳体内表面上从外至内依次制作经纬形金属网栅和共形光学窗内壳体，且经纬形金属网栅将共形光学窗壳体的内表面和共形光学窗内壳体的外表面整体覆盖；经纬形金属网栅由金属经线和金属纬线组成，金属经线沿圆周方向以等圆心角均匀排列，金属纬线沿母线方向以金属网栅周期等间距排列，且金属经线和金属纬线互相电气连接。
经纬形金属网栅的材料为导电率良好的纯质金属或合金，纯质金属包括金、银、铜、铝。
经纬形金属网栅金属线的厚度大于200nm。
经纬形金属网栅的线宽大于1μm。
经纬形金属网栅的周期小于干扰电磁波最小波长的二分之一。
本发明具有如下新颖性和显著效果：
1.本发明中充分将金属网栅技术和共形光学窗技术有机结合，设计了一种具有经纬形金属网栅结构的共形电磁屏蔽光学窗，解决了共形光学窗金属网栅的结构设计问题，提高了共形光学窗的电磁屏蔽性能，实现了金属化的共形光学窗与飞行器外形的一体化设计，既缩减了共形光学窗的雷达散射截面，又提高了电磁屏蔽性能，是平面金属网栅所不具备，这是本发明区别于现有电磁屏蔽光学窗的新颖性和显著效果之一。
2.本发明中经纬形金属网栅结构具有等间距的周期纬线设计，保证了金属网栅在母线方向上分布的周期性和均匀性；同时具有相邻纬线间沿径向分布的准周期经线设计，保证了经纬形金属网栅在经线方向上分布的周期性和均匀性。因此，经纬形金属网栅可使共形光学窗具有高效能的抗电磁干扰性能。该新型金属网栅结构既克服了传统正方形金属网栅在曲面光学窗上产生的周期分布不均匀和网栅单元畸变的缺点，又保证了高性能的抗电磁干扰性能，这是本发明区别于现有电磁屏蔽光学窗的新颖性和显著效果之二。
3.本发明中经纬形金属网栅结构中相邻纬线间的周期经线设计，保证了感性网栅在共形光学窗上的良好导电性。金属网栅的良好导电性也保证了共形光学窗良好的抗电磁干扰性能，同时金属网栅屏蔽了共形光学窗电磁散射腔体效应，这是本发明区别于现有电磁屏蔽光学窗的新颖性和显著效果之三。
附图说明
图1为本发明所述的共形光学窗壳体内侧面上制作经纬形金属网栅的共形电磁屏蔽光学窗示意图。
图2为本发明所述的在共形光学窗壳体内表面上从外到内依次制作经纬形金属网栅和共形光学窗内壳体的共形电磁屏蔽光学窗示意图。
图3为本发明所述的经纬形金属网栅示意图。
图中件号：1为共形光学窗壳体，2为经纬形金属网栅，3为共形光学窗内壳体。
具体实施方式
下面参照附图和优选实施例对本发明进行进一步的描述：
一种具有经纬形网栅结构的电磁屏蔽共形光学窗，包括共形光学窗壳体1，①在共形光学窗壳体1内侧面上制作经纬形金属网栅2，该经纬形金属网栅2将共形光学窗壳体1内侧表面整体覆盖，或者②，在共形光学窗壳体1内表面上从外至内依次制作经纬形金属网栅2和共形光学窗内壳体3，且经纬形金属网栅2将共形光学窗壳体1的内表面和共形光学窗内壳体3的外表面整体覆盖；经纬形金属网栅2由金属经线和金属纬线组成，金属经线沿圆周方向以等圆心角均匀排列，金属纬线沿母线方向以金属网栅周期等间距排列，且金属经线和金属纬线互相电气连接。
经纬形金属网栅2的材料为金属铝。
经纬形金属网栅2的金属线的厚度为500nm。
经纬形金属网栅2的线宽为5μm。
经纬形金属网栅2的周期为300μm。
Claims (5)
1.一种具有经纬形网栅结构的电磁屏蔽共形光学窗，包括共形光学窗壳体(1)，其特征在于①，在共形光学窗壳体(1)内侧面上制作经纬形金属网栅(2)，该经纬形金属网栅(2)将共形光学窗壳体(1)内侧表面整体覆盖，或者②，在共形光学窗壳体(1)内表面上从外至内依次制作经纬形金属网栅(2)和共形光学窗内壳体(3)，且经纬形金属网栅(2)将共形光学窗壳体(1)的内表面和共形光学窗内壳体(3)的外表面整体覆盖；经纬形金属网栅(2)由金属经线和金属纬线组成，金属经线沿圆周方向以等圆心角均匀排列，金属纬线沿母线方向以金属网栅周期等间距排列，且金属经线和金属纬线互相电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有经纬形网栅结构的电磁屏蔽共形光学窗，其特征在于经纬形金属网栅(2)的材料为导电率良好的纯质金属或合金，纯质金属包括金、银、铜、铝。
3.根据权利要求1所述的一种具有经纬形网栅结构的电磁屏蔽共形光学窗，其特征在于经纬形金属网栅(2)的金属线厚度大于200nm。
4.根据权利要求1所述的一种具有经纬形网栅结构的电磁屏蔽共形光学窗，其特征在于经纬形金属网栅(2)的线宽大于1μm。
5.根据权利要求1所述的一种具有经纬形网栅结构的电磁屏蔽共形光学窗，其特征在于经纬形金属网栅(2)的周期小于干扰电磁波最小波长的二分之一。
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