CN103763908A - 基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗 - Google Patents
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Abstract
基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗属于电磁屏蔽技术领域，一组同心金属圆环对和另一不同直径金属圆环分别按等边三角形排列密接排布构成二维金属网栅并交叉分布加载于光窗透明基片表面；同心圆环对与其内部含有的内切连通子圆环构成基本圆环阵列，另一直径圆环构成调制圆环阵列，基本圆环阵列与调制圆环阵列共同组成多周期金属圆环嵌套阵列。在圆环相切连通的连接处，通过线条交叠或设置保证金属环切点间可靠电联接的金属，确保所有圆环相互导电。通过嵌套圆环阵列中各圆环直径与位置关系的布置，本发明的金属网栅结构可显著的降低网栅高级次衍射光强分布的不均匀性，使衍射造成的杂散光分布更加均匀，对成像影响更小。
Description
技术领域
本发明属于光学透明件电磁屏蔽领域，特别涉及一种基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗。
背景技术
随着电磁波应用频谱的展宽和强度的增加，对航天航空装备、先进光学仪器、通讯设备、医疗诊断仪器和保密设施等领域应用的电磁屏蔽光窗的要求越来越高，主要是要求光窗具有超强的宽波段电磁屏蔽能力的同时，还具有极高的透光率，对光学成像、观测、探测的影响越小越好。比如，航天航空装备领域中飞行器的光窗，必须高品质的实现舱内外的电磁信号隔离，一方面屏蔽外部电磁干扰和有害电磁信号，以免造成舱内电子设备失效，一方面防止舱内电子设备工作时电磁信号透出光窗造成电磁泄漏，但光窗的透光性是其必备的功能，对光窗进行电磁屏蔽应尽可能的减小对其透明性的影响，特别是尽可能的不影响光学探测或光学成像功能；与此类似，先进光学仪器的光窗也要有尽可能高的透光率和尽可能低的成像质量影响，以实现高品质的探测和测量，同时要防止电磁干扰对仪器内部光电探测器件的影响；对于党政机关、军事指挥场所、重要科研单位的保密建筑设施，需要对其房屋的窗玻璃在保证采光性的同时，进行电磁屏蔽设计，以防止室内电脑等电子设备工作时重要信息以电磁辐射形式向窗外传播造成泄密；医疗用电磁隔离室光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，等等。目前这类光窗的电磁屏蔽主要采用透明导电薄膜、金属诱导透射型多层膜结构、带阻型频率选择表面和具有毫米亚毫米周期的金属网栅等。
透明导电薄膜是一种以氧化铟锡为主要材料的透明金属氧化物薄膜，常应用于可见光波段透明的场合，但是不能兼顾较宽的透光波段，虽具有较宽的微波屏蔽波段但屏蔽能力不强。金属诱导透射型多层膜结构采用多层薄金属膜与介质膜复合结构来实现对电磁波的屏蔽，对低频微波屏蔽能力较强，透光区域主要为可见光和紫外光，但透光率不高。频率选择表面采用周期性谐振单元结构实现带通或带阻滤波器功能，由于其金属覆盖率较高，能够很好地反射工作频带以外的干扰电磁波，但是光学透光率较低，降低了光学探测的成像质量，给光学图像处理、模式识别、目标搜索和跟踪带来了困难。综上所述，同时满足光窗的宽波段高透光率和宽频段电磁屏蔽两个要求，上述各技术方案均存在明显不足。相比而言，具有毫米亚毫米周期的金属网栅，由于其周期比干扰电磁波长小得多，可以实现较强的低频宽波段电磁屏蔽；而金属网栅周期又远大于光学波长，可以保证光学波段的透光率。因此，毫米亚毫米周期的金属网栅具有良好的透明导电性能，可满足光窗对高透光率和宽频段电磁屏蔽的要求，在光窗电磁屏蔽技术领域得到了广泛的应用：
1.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。
2.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。
3.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，且它们经线或者纬线有一定的夹角，以达到克服莫尔条纹现象，实现更清晰的视野。
4.专利02157954.7“高屏效防信息泄漏玻璃”在金属丝网两侧各有一层聚碳酸脂胶片，胶片外侧各贴附一层玻璃，最后热压而成电磁屏蔽结构，该结构在透光率达到60％的情况下，具有较强的屏蔽效率。
5.专利200610084149.8“电磁波屏蔽薄膜及其制造方法”描述了一种由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。
6.美国专利US4871220“Short wavelength pass filter having a metal mesh on asemiconducting substrate”描述了一种具有正方形结构的金属网栅，用于实现光窗的抗电磁干扰性能。
7.专利201010239355.8“一种具有经纬形网栅结构的电磁屏蔽共形光学窗”描述了一种通过金属网栅技术和共形光学窗技术实现的具有经纬形金属网栅结构的共形电磁屏蔽光学窗，主要解决共形光学窗金属网栅的结构设计问题，提高共形光学窗的电磁屏蔽性能。
8.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；相比单层方格金属网栅，透光率和屏蔽能力得到了提高，高级次衍射造成的杂散光也得到了一定的均化。
9.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”描述了一种由结构参数相同的方格金属网栅或金属丝网平行放置于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。
10.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。
11.美国Battelle研究院Jennifer I.Halman等人开发的基于圆环单元的毂-辐条型结构和多圆环交叠结构的感性金属网栅(Jennifer I.Halman等，“Predicted and measured transmission anddiffraction by a metallic mesh coating”.Proc.SPIE，2009，7302：73020Y-1～73020Y-8)，并认为，该结构可使得网栅高级次衍射分布均化，实现低旁瓣，对成像有利。
12.美国Exotic Electro-Optics公司的Ian B.Murray、美国亚利桑那大学的Victor Densmore和Vaibhav Bora等人共同报道了对毂-辐条型结构和多圆环交叠结构的感性网栅引入了参数随机分布设计后对衍射特性的影响(Ian B.Murray，Victor Densmore，Vaibhav Bora等人，“Numerical comparision of grid pattern diffraction effects through measurement and modeling withOptiScan software”，Proc.SPIE，2011，8016：80160U-1～80160U-15)，指出各圆环间距和直径在一定范围内随机取值，有利于提高高级次衍射分布的均匀性。
上述各方案由于采用金属网栅(或金属丝网)作为屏蔽的核心器件，可以实现较好的电磁屏蔽效果和一定的透光率。但采用金属网栅(或金属丝网)作为电磁屏蔽结构，就不可避免的受到网栅在光学波段衍射的影响。由于金属网栅的周期在毫米或者亚毫米量级，为实现较高的透光率，其金属线条宽度一般在微米和亚微米量级，这样的结构参数在光学波段具有非常强的衍射效应。入射光绝大部分能量被金属网栅透射，透射部分包含零级衍射光和高级次衍射光，通常，零级次衍射光是用于成像和观测的有用信息，高级次衍射光则构成杂散光，对成像和探测产生干扰。因此，应尽可能的提高零级次衍射光所占的比重，同时，在高级次衍射光不可避免出现的前提下，尽可能使高级次衍射光分布比较均匀，其形成的杂散光成为比较均匀的背景或者噪声。
目前金属网栅主要为传统方格网栅结构，如上述专利1-6所主要采用的结构(专利7的结构由于加工在曲面之上，是一种类方格结构)，方格网栅结构透光能力与屏蔽能力存在固有的矛盾，难以同时兼顾高透光率和强电磁屏蔽效率，特别是方格网栅的高级次衍射能量主要集中在互相垂直的两轴上，对成像质量有一定的影响，甚至在高成像质量要求的场合难以应用。改变网栅衍射特性一般需要改变其结构特征，上述专利200610010066.4“具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗”提出用金属圆环构建成圆环金属网栅，改善了方格金属网栅高级次衍射能量集中分布的缺点，并可以缓解其透光能力与屏蔽能力的矛盾。上述文献11和12中，Jennifer I.Halman等人和Ian B.Murray等人，也都提出了基于圆环单元的金属网栅结构来提高高级次衍射分布的均匀性，但Jennifer I.Halman等人的研究也是单周期圆环排列结构，且排列方向确定，其对调节高级次衍射的作用与专利200610010066.4提出的结构相当，而Ian B.Murray等人的研究虽然更进一步，提出随机交叠圆环结构，令圆环直径和间距在一定范围内随机分布取值，实现进一步提高高级次衍射分布均匀性，但圆环直径和间距的随机分布改变了网孔分布的均匀性，将损害电磁屏蔽效率。
随着电磁环境的日益复杂，对电磁屏蔽光窗的透光能力和电磁屏蔽能力的要求在不断提高，尤其是在航空航天装备领域和先进光学仪器领域，已经要求光窗达到95％甚至更高的透光率的同时，还具有极低的成像质量影响，在低于20GHz的微波频率范围实现30dB以上的屏蔽效率，这使得现有的技术难以实现。专利200810063988.0和专利200810063987.6均采用了双层金属网栅平行放置于光窗透明基片或衬底的两侧构成，两层金属网栅具有相同的单元外形和结构参数，通过优化两层网栅的间距，实现不降低透光率的同时，大幅度提高了电磁屏蔽效率。但这种双层网栅结构高级次衍射杂散光分布仍然与透光率相同的单层网栅相当，不完全满足未来航空航天装备和先进光学仪器等领域对低成像质量影响的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有的光窗电磁屏蔽技术方案的不足，特别是针对现有单层方格金属网栅、单层圆环网栅、双层方格和圆环网栅存在高级次衍射造成的杂散光分布相对集中的问题，研发一种基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，达到实现高级次衍射的深度均化和极低的成像质量影响的目的。
本发明采用的技术方案是：采用基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，电磁屏蔽光窗中的金属网栅由一组同心金属圆环对和另一不同直径的金属圆环分别按等边三角形排列密接排布构成并交叉分布加载于光窗透明基片表面；其中，同心圆环对中的外圆环作为基本圆环，其内部含有与其内切连通、金属的子圆环，同心圆环对与其内切连通的子圆环共同组成二维金属网栅结构的基本单元；与基本圆环直径不同的另一金属圆环作为调制圆环构成调制圆环阵列，调制圆环阵列与基本单元构成的基本圆环阵列形成交叉分布结构；基本圆环阵列中各基本圆环直径相等且按等边三角形排列密接排布时相邻的基本圆环外切连通，调制圆环阵列中各调制圆环直径相等且按等边三角形排列密接排布时相邻的调制圆环外切连通；同心圆环对的外圆环、内圆环，子圆环与调制圆环的直径为毫米和亚毫米量级，同心圆环对的外圆环、内圆环，子圆环与调制圆环的金属线条宽度为微米和亚微米量级；所述的等边三角形排列是指构成阵列时三个两两相邻的等直径金属圆环的圆心连线构成等边三角形；所述的外切连通包括：①两圆环外切且外切切点处设置将两圆环连通的连接金属，②两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构，③两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构的同时，在交叠处设置将两圆环连通的连接金属；所述的内切连通包括：①两圆环内切且内切切点处设置将两圆环连通的连接金属，②两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构，③两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构的同时，在交叠处设置将两圆环连通的连接金属。
上述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，所述的每个基本单元内子圆环个数大于或等于2个，且直径相同或不同，相邻子圆环的圆心和基本圆环圆心连线所组成的夹角为任意角度，不同基本单元中的子圆环为等直径或非等直径圆环，个数相同或不同。
作为一种优选的结构方式，上述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，所述的基本圆环与调制圆环的直径比为
且两种金属圆环阵列的阵列方向角相差30°，其中阵列方向角为同一直径金属圆环组成二维金属网栅时相邻圆环连心线与水平方向的最小夹角。
作为一种优选的结构方式，上述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，所述的每个调制圆环总有对应基本圆环与其组成同心圆环结构，该调制圆环中的基本单元称为调制基本单元。
作为一种优选的结构方式，上述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，所述的同心圆环对的内外圆环直径比在0.2-0.8范围内，不同基本单元的内外圆环直径比相同或不同，每个基本单元内相邻子圆环可以外切连通或相交，子圆环与所在基本单元内的同心圆环对的内圆环相切连通或相交，子圆环与该基本单元交叠的调制圆环相切连通或相交，所述的相切连通为外切连通或内切连通。
作为一种优选的结构方式，上述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，所述的基本单元中子圆环的直径相同，并且相邻子圆环的圆心和基本圆环圆心连线所组成的夹角相等；相邻基本单元中子圆环的个数相同，直径相等。
作为一种优选的结构方式，上述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，所述的除调制基本单元外的基本单元中，每个基本单元中含有3个直径相同的子圆环，并且相邻子圆环的圆心和基本圆环圆心连线所组成的夹角相等，每个子圆环与所在基本单元中的内圆环外切连通，同时与该基本单元交叠的一个调制圆环内切连通，同心圆环对的内圆环与交叠的调制圆环外切连通。
作为一种优选的结构方式，上述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，所述的调制基本单元中，子圆环个数为3-6个，每个调制基本单元中子圆环的直径相同，并且相邻子圆环的圆心和基本圆环圆心连线所组成的夹角相等，且子圆环与同心圆环对的内圆环外切连通。
作为一种优选的结构方式，上述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，调制基本单元相对于相邻基本单元在二维平面内绕自身基本圆环圆心旋转一定角度。
上述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，所述的同心圆环对、子圆环、调制圆环与连接金属均由导电性能良好的合金构成，且合金厚度大于100nm。
上述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，所述的粘接层用铬或者钛材料构成。
本发明的创新性和良好效果是：
本发明的创新性在于：电磁屏蔽光窗中的金属网栅由一组同心金属圆环对和另一不同直径的金属圆环分别按等边三角形排列密接排布构成并交叉分布加载于光窗透明基片表面；其中，同心圆环对中的外圆环作为基本圆环，其内部含有与其内切连通、金属的子圆环，同心圆环对与其内切连通的子圆环共同组成二维金属网栅结构的基本单元；与基本圆环直径不同的另一金属圆环作为调制圆环构成调制圆环阵列，调制圆环阵列与基本单元构成的基本圆环阵列形成交叉分布结构；基本圆环阵列中各基本圆环直径相等且按等边三角形排列密接排布时相邻的基本圆环外切连通，调制圆环阵列中各调制圆环直径相等且按等边三角形排列密接排布时相邻的调制圆环外切连通；同心圆环对的外圆环、内圆环、子圆环与调制圆环的直径为毫米和亚毫米量级，同心圆环对的外圆环、内圆环、子圆环与调制圆环的金属线条宽度为微米和亚微米量级；所述的等边三角形排列是指构成阵列时三个两两相邻的等直径金属圆环的圆心连线构成等边三角形；所述的外切连通包括：①两圆环外切且外切切点处设置将两圆环连通的连接金属，②两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构，③两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构的同时，在交叠处设置将两圆环连通的连接金属；所述的内切连通包括：①两圆环内切且内切切点处设置将两圆环连通的连接金属，②两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构，③两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构的同时，在交叠处设置将两圆环连通的连接金属。本发明的创新性产生的良好效果主要集中于均化金属网栅的高级次衍射能量分布，具体如下：
金属网栅中同心圆环对与调制圆环均以等边三角分布为基本排列方式，都可以克服传统方格金属网栅存在的高级次衍射能量集中分布的缺点，具有良好的均化高级次衍射能量分布的特性，而且使用同心圆环对与调制圆环交叉三角分布的金属圆环阵列，在保证透光率相同时，与仅有单一直径圆环阵列的结构相比，需要增加各圆环的直径，各圆环阵列的高级次衍射能量均降低；同时，通过改变各圆环的直径或同心圆环对与调制圆环的位置关系来对结构进行优化，使它们的高级次衍射级不发生叠加，从而可以有效对金属网栅阵列结构的高级次衍射能量分布进行调节，达到均化高级次衍射能量分布的目的，这是本发明金属网栅均化高级次衍射能量分布的原因之一。
在同心圆环对中加入子圆环组成基本单元，因为在每个基本单元中的子圆环个数、直径和位置关系的不同，使其结构疏松，排布杂散，因此高级次衍射能量比较低，而且高级次衍射分布较均匀，避免出现像传统方格金属网栅存在的高级次衍射能量集中分布的情况；同时，在保证透光率相同时，需要进一步增加同心圆环对和调制圆环的直径，从整体上降低了各阵列的高级次衍射能量；又因为子圆环阵列结构产生的高级次衍射与同心圆环阵列结构和调制圆环阵列结构的高级次衍射发生叠加的概率很低；尤其是改变同心圆环对与调制圆环的位置关系及各圆环的直径，与不同子圆环结构共同作用，进一步优化参数后，它们能量较高的高级次衍射不发生叠加，从而均化了高级次衍射能量分布，这是本发明金属网栅均化高级次衍射能量分布的原因之二。
通过改变调制基本单元中子圆环的个数或子圆环与同心圆环中内圆环的直径比，可以对高级次衍射级能量分布进行均化；此外，每个调制基本单元都可以以其对应的基本圆环的圆心为中心旋转一定角度，不改变金属网栅的孔径比进而不影响透光率，但可对高级次衍射级能量分布进一步进行调制，能够进一步均化高级次衍射能量分布，这是本发明金属网栅均化高级次衍射能量分布的原因之三。
综上，本发明的金属网栅结构可实现网栅高级次衍射能量分布的深度均化，这是本发明的最突出效果。另外，同心圆环对与调制圆环交叉三角分布的金属圆环结构和子圆环结构共同作用有效地改善了金属圆环网栅结构的均匀性，且基本单元以其基本单元对应的基本圆环的圆心为中心旋转一定角度时，在对高级次衍射级能量分布进行有效调制的同时，基本不影响电磁屏蔽效果，甚至在某些优选方案中可以提高电磁屏蔽效果。
附图说明
图1是基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗的一种优选结构剖面示意图。
图2是同心圆环对与调制圆环构成的典型二维金属网栅基本结构示意图。
图3是子圆环与同心圆环对的内圆环外切连通时的几种基本单元示意图。
图4是子圆环与同心圆环对的内圆环相交时的几种基本单元示意图。
图5是两圆环外切连通方式示意图。
图6是两圆环内切连通方式示意图。
图7是本发明的基本单元在二维平面内绕自身基本圆环圆心的一种旋转方式示意图。
图8是已有方格网栅结构示意图。
图9是已有方格网栅高级次衍射及其相对强度分布示意图。
图10是已有圆环网栅结构示意图。
图11是已有圆环网栅高级次衍射及其相对强度分布示意图。
图12是本发明中优选方案A的金属网栅结构示意图。
图13是本发明中优选方案A的金属网栅高级次衍射及其相对强度分布示意图。
图14是本发明中优选方案B的金属网栅结构示意图。
图15是本发明中优选方案B的金属网栅高级次衍射及其相对强度分布示意图。
图16是四种网栅结构高级次衍射最大相对强度对比图。
图中件号说明：1.粘接层2.保护层3.增透膜4.透明基片5.金属网栅6.基本圆环7.子圆环8.调制圆环9.连接金属10.内圆环
具体实施方式
下面参照附图和优选实施例对本发明进一步的描述：
基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，电磁屏蔽光窗中的金属网栅5由一组同心金属圆环对和另一不同直径的金属圆环分别按等边三角形排列密接排布构成并交叉分布加载于光窗透明基片表面；其中，同心圆环对中的外圆环作为基本圆环6，其内部含有与其内切连通、金属的子圆环7，同心圆环对与其内切连通的子圆环共同组成二维金属网栅结构的基本单元；与基本圆环6直径不同的另一金属圆环作为调制圆环8构成调制圆环阵列，调制圆环阵列与基本单元构成的基本圆环阵列形成交叉分布结构；基本圆环阵列中各基本圆环6直径相等且按等边三角形排列密接排布时相邻的基本圆环6外切连通，调制圆环阵列中各调制圆环8直径相等且按等边三角形排列密接排布时相邻的调制圆环8外切连通；同心圆环对的外圆环、内圆环，子圆环7与调制圆环8的直径为毫米和亚毫米量级，同心圆环对的外圆环、内圆环，子圆环7与调制圆环8的金属线条宽度为微米和亚微米量级；所述的等边三角形排列是指构成阵列时三个两两相邻的等直径金属圆环的圆心连线构成等边三角形；所述的外切连通包括：①两圆环外切且外切切点处设置将两圆环连通的连接金属9，②两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构，③两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构的同时，在交叠处设置将两圆环连通的连接金属9；所述的内切连通包括：①两圆环内切且内切切点处设置将两圆环连通的连接金属9，②两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构，③两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构的同时，在交叠处设置将两圆环连通的连接金属9；所述的透明基片4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；根据工艺流程，金属网栅5可通过粘接层1加载在透明基片4表面；单层或者多层增透膜3增强光窗的透光能力，单层或者多层的保护层2，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。
本发明的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，同心圆环对与调制圆环8分别按等边三角形排列密接排布且交叉分布构成的典型二维金属网栅结构示意图如图2所示，基本圆环6的直径与调制圆环8的直径比满足
且两种金属圆环的阵列方向角θ与η相差30°，其中阵列方向角为同一直径金属圆环组成二维金属网栅时相邻圆环连心线与水平方向的最小夹角，调制圆环8中总有对应基本圆环6与其组成同心圆环结构，该调制圆环8中的基本单元称为调制基本单元。图2中点A，B，C为三个两两相邻且外切连通的基本圆环6的圆心，点C，D，E为三个两两相邻且外切连通的调制圆环8的圆心，C为基本圆环6与调制圆环8组成的同心圆环结构的圆心；△ABC，△CDE为等边三角形，这样的排布方式确保基本圆环6和调制圆环8均是按照等边三角形排列密接排布构成金属网栅5的基本结构。图2中，同心圆环对的内圆环10与交叠的调制圆环8外切连通，即同心圆环对的内外圆环直径的比值为
本发明的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，同心圆环对的外圆环、内圆环10、子圆环7与调制圆环8的直径为毫米和亚毫米量级，同心圆环对的外圆环、内圆环10、子圆环7与调制圆环8的金属线条宽度为微米和亚微米量级，以保证高透光率和良好的电磁屏蔽效果。此外，同心圆环对的外圆环、内圆环10、子圆环7、调制圆环8与连接金属9均由导电性能良好的金属构成，如金、银、铜、铝等纯金属及金属合金，且金属厚度大于100nm。
本发明的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，每个基本单元内子圆环7个数大于或等于2个，且直径相同或不同，相邻子圆环7的圆心和基本圆环6圆心连线所组成的夹角为任意角度，不同基本单元中的子圆环7为等直径或非等直径圆环，个数相同或不同；每个基本单元内相邻子圆环7可以外切连通或相交，子圆环7与所在基本单元内的同心圆环对的内圆环10相切连通或相交，子圆环7与该基本单元交叠的调制圆环8相切连通或相交，所述的相切连通为外切连通或内切连通。作为优选的结构参数，同心圆环对的内外圆环直径比在0.2-0.8范围内，不同基本单元的内外圆环直径比相同或不同。图3和图4所举优选方案为基本单元中子圆环的直径相同，并且相邻子圆环的圆心和基本圆环圆心连线所组成的夹角相等：图3表示子圆环与同心圆环对的内圆环外切时的几种基本单元示意图，其中图3(a)(b)(c)(d)分别表示子圆环个数为3，4，5，6的基本单元示意图；图4表示子圆环与同心圆环的内圆环相交时的几种基本单元示意图，其中图4(a)表示基本单元中4个子圆环相交，且均与同心圆环对中的内圆环相交，图4(b)表示基本单元中4个子圆环相外切，但均与同心圆环对中的内圆环相交，图4(c)表示基本单元中5个子圆环相交，且均与同心圆环对中的内圆环相交，图4(d)表示基本单元中5个子圆环相外切，但均与同心圆环对中的内圆环相交。
图5，图6分别表示两圆环外切连通和内切连通，通过线条交叠或设置(如覆盖)保证金属环切点间可靠电联接的金属，以确保相切的金属圆环之间密接连通导电。其中，图5(a)(b)(c)分别表示在外切连通时两圆环呈无缝交叠结构示意图：图5(a)为两圆环无缝交叠的一般情况，即两圆环的圆心距小于两圆环外切时的圆心距，且大于两圆环外切时的圆心距与两圆环线条宽度之和的差值，图5(b)为无缝交叠的一种特殊情况，两圆环线条的内外轮廓相互外切，图5(c)为无缝交叠的另一种特殊情况，两圆环的圆心距等于两圆环外切时的圆心距与两圆环线条宽度之和的差值，即两圆环线条的内轮廓外切，而图5(d)中由于两圆环外切，因此需要在切点处设置保证金属环切点间可靠电联接的金属。图6(a)(b)分别表示在内切连通时两圆环呈无缝交叠结构示意图：图6(a)表示在内切连通时两圆环无缝交叠的一般情况，即两圆环的圆心距大于两圆环内切时的圆心距，且小于两圆环内切时的圆心距与直径较大圆环线条宽度的和，图6(b)表示在内切连通时两圆环无缝交叠的一种特殊情况，两圆环的圆心距等于两圆环内切时的圆心距与直径较大圆环线条宽度的和，即两圆环线条的外轮廓内切，而图6(c)表示直径较小圆环线条的外轮廓与直径较大圆环线条的内轮廓内切，此时需要在切点处设置保证金属环切点间可靠电联接的金属。此外，如果两圆环无缝交叠时两金属圆环的交叠面积较小，不足以确保两金属圆环之间有可靠的电联接，也需要在切点处设置保证金属圆环切点间可靠电联接的金属，以确保实现金属环的外切连通或内切连通。而图5(d)和图6(c)所示是一种优选的切点处金属连接方式，切点处覆盖的连接金属9为矩形，矩形的边长大于金属环线条宽度，矩形覆盖切点连接处时要使矩形的一条边完全落在一个金属环线条内，而其对边要完全落在相切的另一个金属环线条内。依据不同的加工方法和工艺水平，圆环切点处也可以采用其它形式的连接金属，只要能够使相切的两金属环具有可靠的电联接即可。
为了实现良好的均化高级次衍射造成的杂散光效果，对于本发明的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，作为一种优选的结构方式，在图2所示基本结构基础上增加子圆环：对于除调制基本单元外的基本单元中，每个基本单元中含有3个直径相同的子圆环7，并且相邻子圆环7的圆心和基本圆环6圆心连线所组成的夹角相等，且每个子圆环7与所在基本单元中的内圆环10外切连通，同时与该基本单元交叠的一个调制圆环8内切连通，同心圆环对的内圆环10与交叠的调制圆环8外切连通；而对于调制基本单元中，子圆环7个数为3-6个，每个基本单元中子圆环7的直径相同，并且相邻子圆环7的圆心和基本圆环6圆心连线所组成的夹角相等，且子圆环7与同心圆环对的内圆环10外切连通。这种优选的结构方式的一个特列如图12所示，选择图3(a)的单元结构作为基本单元，为了满足上述结构方式，部分调制基本单元以外的基本单元中子圆环的排列方向发生了旋转。
本发明中金属网栅的调制基本单元可以在二维平面内绕自身基本圆环6圆心旋转一定角度；例如，图7是本发明的基本单元在二维平面内绕自身基本圆环6圆心的一种旋转方式示意图，其中金属网栅的基本单元选取图3(a)所示结构，含有3个相同直径的子圆环7，且均与同心圆环对的内圆环10外切连通，即子圆环7的直径等于该组同心圆环对的半径差；相邻子圆环7的圆心和基本圆环6圆心连线所组成的夹角相等，图7右图相对左图而言，基本单元在二维平面内绕自身基本圆环6圆心顺时针旋转了30°角。按图7所示旋转方式，如图12所示特例中的调制基本单元发生了旋转，结果如图14所示。
图8和图9分别为美国专利US4871220已有的方格网栅结构示意图和其高级次衍射及其相对强度分布示意图，图10和图11分别为专利200610010066.4已有的圆环网栅结构示意图和其高级次衍射及其相对强度分布示意图；图12和图13分别为本发明中优选方案A的金属网栅结构示意图和其高级次衍射及其相对强度分布示意图，优选方案A的金属网栅结构的选择是侧重考虑结构均匀性对电磁屏蔽的影响，而选择由图3(a)的基本单元结构和图2的网栅阵列的优选排布相结合得到的具有良好均匀性的金属网栅结构；图14和图15分别为本发明中优选方案B的金属网栅结构示意图和其高级次衍射及其相对强度分布示意图，优选方案B中的金属网栅结构与优选方案A的结构基本相同，不同点在于优选方案B中，调制基本单元根据图7所示的旋转方式旋转了30°角。
为了说明本发明在均化高级次衍射能量分布作用中的优越性，基于标量衍射理论，对上述四种结构的高级次衍射能量分布情况以及高级次衍射最大相对强度进行理论计算，计算时使各结构的透光率相同(均为95.4％)，其零级相对强度均为91％，即成像有用信息比例相同。图9，图11，图13，图15分别给出了四种结构的高级次衍射均化程度，表明：优选方案A和B中的金属网栅结构与方格、圆环网栅相比，高级次衍射最大相对强度明显降低，且在相同考察区间内高级次衍射斑的个数明显增加，因而避免了高级次衍射能量集中在少数衍射级次上的问题，使高级次衍射能量分布更加均匀；图16是上述四种结构的高级次衍射最大相对强度的具体数值，可见，方格金属网栅结构的高级次衍射最大相对强度相对于其他结构明显偏高，本发明的方案A所对应的金属网栅结构的高级次衍射最大相对强度已经明显降低，从0.0259％(优选方案A网栅结构的高级次衍射最大相对强度)下降到0.0089％，降低了66％，高级次衍射的均化效果明显；优选方案B与方案A相比，金属网栅结构的高级次衍射最大相对强度进一步降低，从0.0089％(已有的圆环网栅结构的高级次衍射最大相对强度)下降到0.0055％，降低了38％，完成了对高级次衍射的进一步均化，从而证明优化参数后对高级次衍射的均化具有显著效果，不仅优于美国专利US4871220已有的方格金属网栅结构，也优于专利200610010066.4已有的圆环金属网栅结构。
本发明的组成方式，使得网孔相对比较平均，尤其是优选方案中给出的金属网栅结构，在深度均化高级次衍射能量分布的同时，仍具有较好的透光性和屏蔽性能，当用于构造双层金属网栅结构时，可改善透光率和屏蔽效率的矛盾问题，与此同时，由于本发明单层结构深度均化高级次衍射能量分布，又可以解决已有双层金属网栅结构中由于单层网栅结构的限制而不能进一步均化高级次衍射能量分布的问题。
本发明的多周期圆环嵌套的金属圆环阵列的电磁屏蔽光窗中的金属网栅5可以采用如下的加工方法加工制作：由电子束直写等方式制作掩模，光窗透明基片4进行清洗后镀铬或者钛作为粘接层1，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多周期圆环嵌套的金属圆环阵列的金属网栅图案。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金属网栅结构。
本发明所涉及的透明基片4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，本发明的同心圆环对、子圆环7和调制圆环8金属结构要根据透明基片4采取合适的加工工艺流程使之完全覆盖于透明基片4之上，并且能够和窗框等实现可靠的电联接或密封以保证优良的电磁屏蔽功能。实际应用中，附有本发明网栅结构的透明基片4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保护层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。
Claims (11)
1.基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，其特征在于：电磁屏蔽光窗中的金属网栅(5)由一组同心金属圆环对和另一不同直径的金属圆环分别按等边三角形排列密接排布构成并交叉分布加载于光窗透明基片表面；其中，同心圆环对中的外圆环作为基本圆环(6)，其内部含有与其内切连通、金属的子圆环(7)，同心圆环对与其内切连通的子圆环共同组成二维金属网栅结构的基本单元；与基本圆环(6)直径不同的另一金属圆环作为调制圆环(8)构成调制圆环阵列，调制圆环阵列与基本单元构成的基本圆环阵列形成交叉分布结构；基本圆环阵列中各基本圆环(6)直径相等且按等边三角形排列密接排布时相邻的基本圆环(6)外切连通，调制圆环阵列中各调制圆环(8)直径相等且按等边三角形排列密接排布时相邻的调制圆环(8)外切连通；同心圆环对的外圆环、内圆环(10)，子圆环(7)与调制圆环(8)的直径为毫米和亚毫米量级，同心圆环对的外圆环、内圆环(10)，子圆环(7)与调制圆环(8)的金属线条宽度为微米和亚微米量级；所述的等边三角形排列是指构成阵列时三个两两相邻的等直径金属圆环的圆心连线构成等边三角形；所述的外切连通包括：①两圆环外切且外切切点处设置将两圆环连通的连接金属(9)，②两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构，③两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构的同时，在交叠处设置将两圆环连通的连接金属(9)；所述的内切连通包括：①两圆环内切且内切切点处设置将两圆环连通的连接金属(9)，②两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构，③两圆环在连接处线条呈无缝交叠结构的同时，在交叠处设置将两圆环连通的连接金属(9)。
2.根据权利要求1所述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，其特征在于：每个基本单元内子圆环(7)个数大于或等于2个，且直径相同或不同，相邻子圆环(7)的圆心和基本圆环(6)圆心连线所组成的夹角为任意角度，不同基本单元中的子圆环(7)为等直径或非等直径圆环，个数相同或不同。
3.根据权利要求1所述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，其特征在于：基本圆环(6)与调制圆环(8)的直径比为
，且两种金属圆环阵列的阵列方向角相差30°，其中阵列方向角为同一直径金属圆环组成二维金属网栅时相邻圆环连心线与水平方向的最小夹角。
4.根据权利要求3所述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，其特征在于：每个调制圆环(8)总有对应基本圆环(6)与其组成同心圆环结构，该调制圆环(8)中的基本单元称为调制基本单元。
5.根据权利要求1所述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，其特征在于：同心圆环对的内外圆环直径比在0.2-0.8范围内，不同基本单元的内外圆环直径比相同或不同，每个基本单元内相邻子圆环(7)可以外切连通或相交，子圆环(7)与所在基本单元内的同心圆环对的内圆环(10)相切连通或相交，子圆环(7)与该基本单元交叠的调制圆环(8)相切连通或相交，所述的相切连通为外切连通或内切连通。
6.根据权利要求2所述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，其特征在于：基本单元中子圆环(7)的直径相同，并且相邻子圆环(7)的圆心和基本圆环(6)圆心连线所组成的夹角相等；相邻基本单元中子圆环(7)的个数相同，直径相等。
7.根据权利要求4所述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，其特征在于：除调制基本单元外的基本单元中，每个基本单元中含有3个直径相同的子圆环(7)，并且相邻子圆环(7)的圆心和基本圆环(6)圆心连线所组成的夹角相等，且每个子圆环(7)与所在基本单元中的内圆环(10)外切连通，同时与该基本单元交叠的一个调制圆环(8)内切连通，同心圆环对的内圆环(10)与交叠的调制圆环(8)外切连通。
8.根据权利要求4所述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，其特征在于：调制基本单元中，子圆环(7)个数为3-6个，每个调制基本单元中子圆环(7)的直径相同，并且相邻子圆环(7)的圆心和基本圆环(6)圆心连线所组成的夹角相等，且子圆环(7)与同心圆环对的内圆环(10)外切连通。
9.根据权利要求7和要求8所述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，其特征在于：调制基本单元相对于相邻基本单元在二维平面内绕自身基本圆环(6)圆心旋转一定角度。
10.根据权利要求1所述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，其特征在于：同心圆环对、子圆环(7)、调制圆环(8)与连接金属(9)均由导电性能良好的合金构成，且合金厚度大于100nm。
11.根据权利要求1所述的基于多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗，其特征在于：粘接层(1)用铬或者钛材料构成。
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