CN110348100B - 一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法属于光学透明件电磁屏蔽领域，该金属网栅结构是由基本随机圆环、外公切圆环、被打断圆环、子圆环构成，基本随机圆环的圆心与半径随机，不同基本圆环中子圆环的个数、直径、排列角度均随机产生。由该随机分布圆环结构通过加工工艺制作获得的具有一定线宽的金属网栅深度均化了高级次衍射，使得高级次衍射能量分布均匀，最大高级次衍射能量降低。同时，由于该结构集成了多周期圆环和子圆环，并具有分布和参数的随机特征，提高透光率的同时保持了网栅孔隙结构较均匀分布，在均化衍射杂散光分布同时，还可以保证其电磁屏蔽能力几乎不受影响，进一步提高了金属网栅的综合性能，扩展其应用领域。

Description

一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法

技术领域

本发明属于光学透明件电磁屏蔽领域，特别涉及一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法。

背景技术

随着人们在电磁波领域的不断挖掘与深入研究，电磁波在各个与人们生活密切相关的领域得到了越来越广泛的应用，例如航空航天领域的各种电子仪器与通讯设备，光学仪器与设备等，电磁波的应用逐渐展现出两个较为明显的趋势，空间中电磁波强度使用范围日益增强以及各领域中的电磁波应用波段不断展宽，使得空间中电磁环境日益复杂化，因此在诸多领域中都提出了对电磁波屏蔽的要求，尤其是对于航空航天装备领域的探测和观测所使用的光学仪器，不仅要求其光学窗必须屏蔽影响接收器件和电子设备正常工作的电磁干扰，同时必须具备高透光率和高成像质量以确保实现精密探测和观测，然而对微波的电磁屏蔽方法通常采用金属板隔离法，但是这种方法难以兼顾光学窗的透明性和电磁屏蔽特性，这使得对光学透明体的电磁屏蔽成为一个关键的研究领域。目前，对光学透明体的电磁屏蔽主要通过采用透明导电薄膜、金属诱导透射型多层膜结构、带阻型频率选择表面和金属网栅薄膜等方法实现。

目前ITO透明导电薄膜的制备工艺与技术已经较为成熟，早已实现大规模的生产制造，但是ITO薄膜具有机械韧性差，铟资源匮乏，价格较高，铟是有毒物质对人体的健康不利等缺点。金属诱导透射型多层膜结构可分为单层或多层薄金属膜，对低频段电磁波的屏蔽能力较强，然而其不高的透光率不能满足光学窗的透光性能需求。带阻型频率选择表面则是采用不同的周期结构单元并根据使用环境对结构图形和尺寸参数进行精确设计从而实现在单个或多个特定窄波段的电磁屏蔽效果，但是无法实现较宽波段电磁屏蔽。

相比而言，透明金属网栅薄膜作为一种透明导电膜，其生产成本低，制备工艺简单，其利用金属材料在玻璃或PET薄膜上制备由相互连接的金属线构成的网栅图案，具有比产业化氧化铟锡薄膜低的电阻率，且具有优良的透光性能，在多种高透光薄膜中，金属网栅薄膜是实现光窗高透光电磁屏蔽的强有力竞争者。然而，然而随着技术的发展，光学仪器的观测精度要求日益提高，单层方格金属网栅的局限性体现出来：首先其屏蔽效率与透光率相互制约，其次高级次衍射能量分布不均，成像质量也会受到影响，在具有高精度要求的观测中会造成严重的误差影响。目前基于金属网栅的光学透明电磁屏蔽技术的发展趋势主要体现在新型结构单元的运用，尤其是将圆环单元用于构建新型网栅结构，同时在结构中引入随机量也是很有前景的发展趋势：

1.专利201510262958.2、201510262957.8、201510262996.8、201510262998.7都是基于裂痕网栅的制作方法，该网栅属于随机网栅的一种。是利用特定条件下，掩模液自然干燥形成裂纹模板，利用该模板制作裂痕网栅，可以有效降低最大高级次衍射，但是由于裂纹是通过自然形成，导致网栅具有不可控性，无法确保透光性、电磁屏蔽效率和高级次衍射能量分布均匀性，且多次试验会造成成本的上升；

2.专利201711390531.6、201711390535.4、201711390631.9都是基于随机重叠网栅的电磁屏蔽结构，该随机网栅可分别采用随机直径、随机周期与同时随机直径与随机周期的三种随机方式，但是由于重叠网栅的量级相同，对高级次衍射能量分布集中的改善效果有限；

3.专利201210374440.4“金属网导电薄膜的随机网格设计方法”利用规则图形和随机点从而组成不规则图形组成的的随机网络，避免了不透光的金属网格线与LCD的周期性像素单元产生的周期性遮蔽，进而在原理上避免了莫尔条纹的产生，并且通过减小导电区域与绝缘区域之间的间隔从而减小透光率的差异。但是该方法主要目的是为了减少莫尔条纹和减小透光率的差异，因此并未对透光率和电磁屏蔽效率做考虑，且未分析该随机网络的高级次衍射能量，该随机网栅和本发明随机网栅针对目标不同；

4.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。

5.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。

6.专利201410051750.1、201410051749.9、201410051636.9、201410051580.7、201410051579.4、201410051577.5、201410051576.0、201410051545.5、201410051541.7、201410051500.8、201410051499.9、201410051498.4、201410051497.X、201410051496.5、201410052268.X、201410052266.0、201410052260.3、201410051544.0、201410051906.6均利用了内切子圆环的结构来实现透明电磁屏蔽光窗，利用内切子圆环可以降低最大高级次衍射。

综上所述，现有技术的主要缺陷在于：

1.高级次衍射能量集中：由于金属网栅的周期在毫米或者亚毫米量级，而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，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。因此希望，尽可能的降低最大高级次衍射能量同时更大程度的均化杂散光分布；采用圆环及子圆环构建网栅，对杂散光起到一定的均化效果，但高级次衍射能量分布仍有进一步均化的空间，以适合更多的应用场合。

2.随机网栅的缺陷：目前针对随机网栅的设计主要有三类，裂痕网栅、随机重叠网栅和不规则图形三种网栅设计方法，其中，裂痕网栅存在不可控和不可预测性，同时多次试验导致成本上升，因此不适用于实际应用中；而随机重叠网栅和不规则图形两种随机网栅的设计方法，在随机性较小时，对衍射特性均化效果有限，在随机性较大时，网孔分布的均匀性变差，将损害电磁屏蔽效率，且高级次衍射能量分布仍有均化的空间。整体上，现有随机网栅很难同时兼顾高级次衍射均化、高透光率和强屏蔽效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有的网栅结构存在的不足，特别是针对现有网栅存在高级次衍射造成杂散光分布相对集中的问题，以及随机网栅存在的缺陷，提出一种集成了多周期圆环和子圆环，并具有圆环分布和结构参数随机特征的网栅，在提高透光率的同时保持了网栅孔隙结构较均匀分布，在均化衍射杂散光分布同时，还可以保证其电磁屏蔽能力几乎不受影响，进一步提高了金属网栅的综合性能，扩展其应用领域。

本发明的目的是这样实现的：一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，该方法包括如下步骤：

Ⅰ、在二维平面直角坐标系中绘制一个等边三角形并将其沿三个边的延长线方向阵列排布，且阵列时相邻三角形顶点重合；

Ⅱ、以步骤Ⅰ中的各等边三角形的顶点为参考点，做圆心位置在顶点附近随机，半径随机的基本随机圆环，基本随机圆环互不相交；

Ⅲ、对步骤Ⅱ中的任意三个基本随机圆环做与它们外切连通的外公切圆环，且外公切圆环不与任何其它基本随机圆环相交，其内部也不包含基本随机圆环；所述基本随机圆环与其外公切圆环共同作为基本圆环；

Ⅳ、在步骤Ⅱ和Ⅲ中产生的基本圆环内部设有与其内切连通的子圆环；所述的基本圆环内相邻子圆环相切连通或相交，每个基本圆环内的子圆环的个数大于或等于2个，且直径相同或不同，相邻子圆环的圆心和基本圆环的圆心连线所组成的夹角为任意角度，不同基本圆环中的子圆环的个数、直径、角度均随机产生；

Ⅴ、对步骤Ⅲ产生的外公切圆环中部分相交圆环按打断规则打断相交部分的圆弧线，所述的打断规则包括：①若两个相交的外公切圆环均不与其它外公切圆环相交，则判断两个外公切圆环半径的大小，将半径较小的外公切圆环作为被打断圆环进行打断，去掉被打断圆环相交部分圆弧线；②若有两个以上外公切圆环相交，将与半径最大的外公切圆环相交的外公切圆环按上述规则①进行打断，获得被打断圆环，若被打断圆环还有其它相交外公切圆环时，则被打断圆环再次被打断，去掉相交部分圆弧线，若保留的外公切圆环也有其它相交外公切圆环时，则其它相交外公切圆环被打断，重复以上交替打断过程，直至所有相交外公切圆环均处理完毕；

Ⅵ、对步骤Ⅴ产生的被打断圆环，删除其在步骤Ⅳ中产生的子圆环并按填充规则添加子圆环，所述的填充规则包括：①若被打断圆环与且只与一个外公切圆环相交，则添加与被打断圆环内切连通，与保留的外公切圆环外切连通的子圆环；②若被打断圆环与且只与两个外公切圆环相交，则添加与被打断圆环内切连通，与保留的两个外公切圆环外切连通的子圆环；③若被打断圆环与三个外公切圆环相交，则添加与保留的三个外公切圆环外切连通的子圆环；

Ⅶ、将步骤Ⅱ至Ⅵ所形成的基本圆环、被打断圆环和子圆环用具有一定线宽的金属线条构成，从而形成基于随机分布圆环的金属网栅。

优选的，在上述的一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，所述步骤Ⅱ中，所述圆心位置与等边三角形顶点的距离在等边三角形边长的±15％范围内随机，所述基本随机圆环半径为在等边三角形边长的20％到35％的取值范围内随机。

优选的，在上述的一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，所述步骤Ⅲ和步骤Ⅵ中的圆环外切连通包括：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。

优选的，在上述的一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，所述步骤Ⅳ和步骤Ⅳ中所述的圆环内切连通包括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。

优选的，在上述的一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，所述的基本圆环与其内切连通的子圆环的直径为毫米和亚毫米量级，所述基本圆环与其内切连通的子圆环的金属线条宽度为微米或亚微米量级。

优选的，在上述的一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，基本圆环与子圆环均由导电性能良好的合金构成，且合金厚度大于200nm。

优选的，在上述的一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，在步骤Ⅰ-Ⅲ中，在二维平面直角坐标系中绘制一个多边形构成的栅网状结构，以多边形各个顶点为参考点生成基本随机圆环，并添加外公切圆环，从而构成基本圆环；

本发明的创新性和良好效果是：

1.本发明的基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，首先在等边三角分布参考点的基础上，引入圆心位置和半径均具有一定随机性的圆环，并且圆环均不相交，然后在圆环间引入外公切圆环将所有随机圆环连接构成基本网栅结构，通过圆环位置和半径的随机性深度均化了高级次衍射，使得高级次衍射能量分布均匀，最大高级次衍射能量降低。

2.在随机基本圆环和外公切圆环构成的基本圆环内添加子圆环，且子圆环个数、直径、相对基本圆环的旋转角度均具有一定随机性，一方面增大基本圆环直径，降低其衍射能量，另一方面子圆环本身的随机性也使得它们自身的衍射及与基本圆环的衍射叠加概率很低，实现高级次衍射进一步均化；

3.引入打断规则和添加规则，使得因随机导致的不均匀性得到显著改善，保持网栅孔隙结构均匀，不仅可以更大程度均化杂散光分布，还可以保证其电磁屏蔽能力几乎不受影响，甚至在某些优选方案中可以提高电磁屏蔽效果。克服了已有随机网栅结构的不足；

鉴于本发明的上述创新性和取得的良好效果，在先进光学仪器成像窗口等光学透明体的电磁屏蔽技术领域中有很大的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明所述的基于随机分布圆环与其外公切圆环的结构示意图。

图2是本发明所述的基于随机分布基础圆环的结构示意图。

图3是分别含有2,3,4,5个相同直径相切连通子圆环的基本圆环示意图。

图4是分别含有3,4,5,6个相同直径相交连接子圆环的基本圆环示意图。

图5是包含三个不同直径的基本圆环的示意图。

图6是相交的外公切圆环按打断规则①打断的示意图。

图7是被打断圆环按填充规则添加子圆环的示意图。

图8是两圆环外切连通方式示意图。

图9是两圆环内切连通方式示意图。

图10为不同多边形构成的栅网状结构的示意图。

图11是已有圆环网栅结构示意图。

图12是已有圆环网栅归一化衍射光强分布示意图。

图13是已有基于二维正交分布相切圆环及内切子圆环网栅结构示意图。

图14是已有基于二维正交分布相切圆环及内切子圆环网栅归一化衍射光强分布示意图。

图15是本发明实例中基于随机分布圆环的金属网栅结构示意图。

图16是本发明实例中基于随机分布圆环的金属网栅归一化衍射光强分布示意图。

图17是三种网栅结构高级次衍射能量最大相对强度的对比图。

图18是本发明实例中基于随机分布圆环的金属网栅的可见光透光率仿真与实测对比图。

图19是本发明实例中基于随机分布圆环的金属网栅的电磁屏蔽效率仿真与实测对比图。

图中件号说明：1.等边三角形 2.基本随机圆环 3.外公切圆环 4.基本圆环 5.子圆环 6.被打断圆环 7.连接金属

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：本发明的目的是这样实现的：采用一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，该方法包括如下步骤：

Ⅰ、在二维平面直角坐标系中绘制一个等边三角形1并将其沿三个边的延长线方向阵列排布，且阵列时相邻三角形顶点重合；

Ⅱ、以步骤Ⅰ中的各等边三角形的顶点为参考点，做圆心位置在顶点附近随机，半径随机的基本随机圆环2，基本随机圆环2互不相交；

Ⅲ、对步骤Ⅱ中的任意三个基本随机圆环2做与它们外切连通的外公切圆环3，且外公切圆环3不与任何其它基本随机圆环2相交，其内部也不包含基本随机圆环2；所述基本随机圆环2与其外公切圆环3共同作为基本圆环4；

Ⅳ、在步骤Ⅱ和Ⅲ中产生的基本圆环4内部设有与其内切连通的子圆环5；所述的基本圆环4内相邻子圆环5相切连通或相交，每个基本圆环4内的子圆环5的个数大于或等于2个，且直径相同或不同，相邻子圆环5的圆心和基本圆环4的圆心连线所组成的夹角为任意角度，不同基本圆环4中的子圆环5的个数、直径、角度均随机产生；

Ⅴ、对步骤Ⅲ产生的外公切圆环3中部分相交圆环按打断规则打断相交部分的圆弧线，所述的打断规则包括：①若两个相交的外公切圆环3均不与其它外公切圆环3相交，则判断两个外公切圆环3半径的大小，将半径较小的外公切圆环3作为被打断圆环6进行打断，去掉被打断圆环相交部分圆弧线；②若有两个以上外公切圆环3相交，将与半径最大的外公切圆环3相交的外公切圆环3按上述规则①进行打断，获得被打断圆环6，若被打断圆环6还有其它相交外公切圆环3时，则被打断圆环6再次被打断，去掉相交部分圆弧线，若保留的外公切圆环3如有其它相交外公切圆环3时，则其它相交外公切圆环3被打断，重复以上交替打断过程，直至所有相交外公切圆环3均处理完毕；

Ⅵ、对步骤Ⅴ产生的被打断圆环6，删除其在步骤Ⅳ中产生的子圆环并按填充规则添加子圆环5，所述的填充规则包括：①若被打断圆环6与且只与一个外公切圆环3相交，则添加与被打断圆环6内切连通，与保留的外公切圆环3外切连通的子圆环5；②若被打断圆环6与且只与两个外公切圆环3相交，则添加与被打断圆环6内切连通，与保留的两个外公切圆环3外切连通的子圆环5；③若被打断圆环6与三个外公切圆环3相交，则添加与保留的三个外公切圆环3外切连通的子圆环5；

Ⅶ、将步骤Ⅱ至Ⅵ所形成的基本圆环4、被打断圆环6和子圆环5用具有一定线宽的金属线条构成，从而形成基于随机分布圆环的金属网栅。

本发明的一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，所述基于随机分布的圆环和外公切圆环3的结构示意图如图1所述，将图1所有基本随机圆环2和外公切圆环3共同作为基本圆环4，得到基于随机分布的基本圆环的结构示意图如图2所示。

本发明的一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，每个基本圆环内相邻子圆环5相切连通或相交，每个基本圆环4内的子圆环5的个数大于或等于2个，且直径相同或不同，相邻子圆环5的圆心和基本圆环4的圆心连线所组成的夹角为任意角度，不同基本圆环4中的子圆环5的个数、直径、角度均随机产生。图3为基本圆环4中相同直径的子圆环5相切连通，其中(a)(b)(c)(d)分别表示了子圆环5个数为2,3,4,5的基本圆环4示意图；图4为基本圆环4中相同直径的子圆环5相交连通，其中(a)(b)(c)(d)分别表示了子圆环5个数为3,4,5,6的基本圆环示意图。图5列举了一个包含三个不同直径子圆环5的基本圆环4的示意图，其中R1,R2,R3为子圆环5的半径，且R1≠R2≠R3，相邻子圆环5圆心和基本圆环4圆心连线所组成的夹角不同。

图6是相交的外公切圆环3按打断规则①打断的示意图，图6(a)列举了两个相交且半径不相同的外公切圆环3，其中R4和R5为外公切圆环3的半径，当R4<R5时，将半径为R4的外公切圆环3作为被作为被打断圆环6进行打断，去掉被打断圆环6相交部分圆弧线。

图7是在被打断圆环6按填充规则添加内切子圆环5的示意图，图7(a)是被打断圆环6与且只与一个外公切圆环3相交的情况示意图，添加与被打断圆环6内切连通，与保留的外公切圆环3外切连通的子圆环5；图7(b)是被打断圆环6与且只与两个外公切圆环3相交的情况示意图，添加与被打断圆环6内切连通，与保留的两个外公切圆环3外切连通的子圆环5；图7(c)是被打断圆环6与三个外公切圆环3相交的情况示意图，添加与保留的三个外公切圆环3外切连通的子圆环5。

图8，图9分别表示两圆环外切连通或内切连通，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8(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8(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8(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8(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8(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9(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9(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9(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9(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8(d)和图9(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7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。

图10分别为不同多边形构成的栅网状结构的示意图，图10(a)为在二维平面直角坐标系中绘制一个等边三角形并将其沿三个边的延长线方向阵列排布，且阵列时相邻三角形顶点重合构成的栅网状结构；图10(b)为在二维平面直角坐标系中绘制一个正方形并将按二维正交排列紧密排布构成栅的网状结构；图10(c)为在二维平面直角坐标系中绘制一个正六边形按三角排列、相邻正六边形的边长重合构成的栅网状结构；图10(d)为在二维平面直角坐标系中由不规则五边形构成的栅网状结构；权利要求书的权利要求1为针对图10(a)所示用等边三角形构成的栅网状结构，除此之外，还可以利用图10(b)(c)(d)中各多边形的顶点为参考点生成基本随机圆环2，并且添加外公切圆3，从而构成基本圆环4，其余步骤和权利要求1中步骤Ⅳ-Ⅶ相同。

本发明的核心是提供了一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，其特点在于提出一种集成了多周期圆环和子圆环，并具有圆环分布和结构参数随机特征的网栅，在提高透光率的同时保持了网栅孔隙结构较均匀分布，在均化衍射杂散光分布同时，还可以保证其电磁屏蔽能力几乎不受影响，避免了目前因为降低最大高级次衍射能量而牺牲电磁屏蔽能力的问题。下面将结合附图15中的本发明实施例与已有的传统圆环金属网栅和已有基于二维正交分布相切圆环及子圆环网栅进行高级次衍射能量的对比，为了说明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，对上述三种结构的归一化衍射光强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95.6％)。图11和13给出已有的传统圆环金属网栅和已有基于二维正交分布相切圆环及子圆环网栅的结构示意图，图12、14和16分别给出了已有的传统圆环金属网栅、已有基于二维正交分布相切圆环及子圆环网栅和本发明实施例的归一化衍射光强分布图，图17是上述三种结构的高级次衍射最大相对强度分布的具体数值对比，表明：与传统的圆环网栅和基于二维正交分布相切圆环及子圆环网栅相比，最大高级次衍射相对强度明显降低，杂散光分布更为均匀，虽然基于二维正交分布相切圆环及子圆环网栅添加了旋转子圆环可以有效降低高级次衍射能量,从传统圆环网栅的0.02479％降低至0.00722％，降低了70.9％，但是降低效果有限，该网栅仍有较强的最大高级次衍射能量，本发明实施例利用基于随机分布的圆环和外公切圆环，并在打断规则和添加规则约束下对结构进行调整，使得高级次衍射能量分布更加平均，最大高级次衍射能量从传统圆环网栅的0.02479％降低至0.00122％，降低了95.1％；从基于二维正交分布相切圆环及子圆环网栅的0.00722％降低至0.00122％，降低了83.1％，可从图14和16看出，其它级次的杂散光分布更为均匀且能量更低，完成了对高级次衍射的深度均化。综上所述，本发明的随机网栅结构对均化高级次衍射能量分布的效果十分显著。

本发明的基于随机分布圆环的金属网栅结构设计方法可通过如下加工工艺方法加工制作成随机金属网栅：(1)用电子束直写等方式制作掩膜；(2)清洗光学透明基片并烘干；(3)在光学透明基片上涂覆光刻胶并进行前烘；(4)利用紫外光刻等光刻工艺和步骤(1)制作的掩膜对已涂覆光刻胶的光学透明基片进行曝光；(5)对曝光后的光学透明基片进行后烘并放置至室温；(6)通过显影得到与设计结构互补的光刻胶图案；(7)利用磁控溅射法等沉积方法在光学透明基件上镀一层金属膜；(8)利用剥离液去除光刻胶得到基于随机分布圆环的金属网栅。也可以省略掩膜制作环节，直接采用及激光直写的办法来制作随机金属网栅。其它的微电子加工工艺或二元光学元件制作流程等也可以用来制作本发明的基于随机分布圆环的金属网栅。

对利用上述加工工艺方法制作的基于随机分布圆环的金属网栅进行透光率与电磁屏蔽效率的表征，得到的结果如图18、19所示，实验结果和仿真数据吻合，且证实本发明实施例结构良好的可见光透明性和强电磁屏蔽效率，在可见光波段内可以达到94％以上的透光率，以及在12-18GHz波段内电磁屏蔽效率约为-23dB。

Claims (7)

1.一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

Ⅰ、在二维平面直角坐标系中绘制一个等边三角形(1)并将其沿三个边的延长线方向阵列排布，且阵列时相邻三角形顶点重合；

Ⅱ、以步骤Ⅰ中的各等边三角形的顶点为参考点，做圆心位置在顶点附近随机，半径随机的基本随机圆环(2)，基本随机圆环(2)互不相交；

Ⅲ、对步骤Ⅱ中的任意三个基本随机圆环(2)做与它们外切连通的外公切圆环(3)，且外公切圆环(3)不与任何其它基本随机圆环(2)相交，其内部也不包含基本随机圆环(2)；所述基本随机圆环(2)与其外公切圆环(3)共同作为基本圆环(4)；

Ⅳ、在步骤Ⅱ和Ⅲ中产生的基本圆环(4)内部设有与其内切连通的子圆环(5)；所述的基本圆环(4)内相邻子圆环(5)相切连通或相交，每个基本圆环(4)内的子圆环(5)的个数大于或等于2个，且直径相同或不同，相邻子圆环(5)的圆心和基本圆环(4)的圆心连线所组成的夹角为任意角度，不同基本圆环(4)中的子圆环(5)的个数、直径、角度均随机产生；

Ⅴ、对步骤Ⅲ产生的外公切圆环(3)中部分相交圆环按打断规则打断相交部分的圆弧线，所述的打断规则包括：①若两个相交的外公切圆环(3)均不与其它外公切圆环(3)相交，则判断两个外公切圆环(3)半径的大小，将半径较小的外公切圆环(3)作为被打断圆环(6)进行打断，去掉被打断圆环(6)相交部分圆弧线；②若有两个以上外公切圆环(3)相交，将与半径最大的外公切圆环(3)相交的外公切圆环(3)按上述规则①进行打断，获得被打断圆环(6)，若被打断圆环(6)还有其它相交外公切圆环(3)时，则被打断圆环(6)再次被打断，去掉相交部分圆弧线，若保留的外公切圆环(3)也有其它相交外公切圆环(3)时，则其它相交外公切圆环(3)被打断，重复以上交替打断过程，直至所有相交外公切圆环(3)均处理完毕；

Ⅵ、对步骤Ⅴ产生的被打断圆环(6)，删除其在步骤Ⅳ中产生的子圆环并按填充规则添加子圆环(5)，所述的填充规则包括：①若被打断圆环(6)与且只与一个外公切圆环(3)相交，则添加与被打断圆环(6)内切连通，与保留的外公切圆环(3)外切连通的子圆环(5)；②若被打断圆环(6)与且只与两个外公切圆环(3)相交，则添加与被打断圆环(6)内切连通，与保留的两个外公切圆环(3)外切连通的子圆环(5)；③若被打断圆环(6)与三个外公切圆环(3)相交，则添加与保留的三个外公切圆环(3)外切连通的子圆环(5)；

Ⅶ、将步骤Ⅱ至Ⅵ所形成的基本圆环(4)、被打断圆环(6)和子圆环(5)用具有一定线宽的金属线条构成，从而形成基于随机分布圆环的金属网栅。

2.根据权利要求1所述的一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，其特征在于：所述步骤Ⅱ中，所述圆心位置与等边三角形顶点的距离在等边三角形(1)边长的±15％范围内随机，所述基本随机圆环(2)半径为在等边三角形(1)边长的20％到35％的取值范围内随机。

3.根据权利要求1所述的一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，其特征在于：所述步骤Ⅲ和步骤Ⅵ中的圆环外切连通包括：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(7)，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(7)。

4.根据权利要求1所述的一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，其特征在于：所述步骤Ⅳ和步骤Ⅳ中所述的圆环内切连通包括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(7)，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(7)。

5.根据权利要求1所述的一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，其特征在于：所述的基本圆环(4)与其内切连通的子圆环(5)的直径为毫米和亚毫米量级，所述基本圆环(4)与其内切连通的子圆环(5)的金属线条宽度为微米或亚微米量级。

6.根据权利要求1所述的一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，其特征在于：基本圆环(4)与子圆环(5)均由导电性能良好的合金构成，且合金厚度大于200nm。

7.根据权利要求1所述的一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法，其特征在于：在步骤Ⅰ-Ⅲ中，在二维平面直角坐标系中绘制一个多边形构成的栅网状结构，以多边形各个顶点为参考点生成基本随机圆环(2)，并添加外公切圆环(3)，从而构成基本圆环(4)。

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