CN114727577B - 光学窗口电磁屏蔽金属网栅及其制备方法 - Google Patents

光学窗口电磁屏蔽金属网栅及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于光学窗口电磁屏蔽技术领域，提供了一种光学窗口电磁屏蔽金属网栅及其制备方法，该方法包括：在光学窗口表面制备规则多边形金属网栅，规则多边形金属网栅中的各个多边形的大小形状均相同、且紧密相连；对于每个多边形，在其任意两条边上随机选取两点并使用金属线连接，将每个多边形随机分割为两个多边形，得到非规则多边形金属网栅；检测非规则多边形金属网栅的结构参数是否达到预设标准；若结构参数没有达到预设标准，则重复执行将非规则多边形金属网栅中的每个多边形随机分割为两个多边形的步骤，直至结构参数达到预设标准。本发明能够制备光电性能良好的随机电磁屏蔽金属网栅，提高成像质量。

Description

光学窗口电磁屏蔽金属网栅及其制备方法
技术领域
本发明属于光学窗口电磁屏蔽技术领域，尤其涉及一种光学窗口电磁屏蔽金属网栅及其制备方法。
背景技术
光学窗口是光电设备机构/功能一体化的重要部件，随着空间电磁环境日益复杂，航天航空装备对光学窗口提出了更高的要求，并集中体现为高透光率、低成像质量影响及强电磁屏蔽效能。金属网栅电磁屏蔽技术作为实现光学窗口电磁屏蔽的有效方法之一，近年来获得了广泛关注和研究。
目前，电磁屏蔽金属网栅结构大都是周期性的，实际使用过程中将无法避免高级次衍射杂散光干扰，从而影响到红外探测系统的成像灵敏度和精度。并且，与平面光学窗口相比，曲面(半球形、尖拱形、弧形等)光学窗口还具有高矢高、表面金属网栅制作难度大等特点。因此，在曲面窗口表面如何实现光电性能良好的随机电磁屏蔽金属网栅结构，是当前亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种光学窗口电磁屏蔽金属网栅及其制备方法，以制备光电性能良好的随机电磁屏蔽金属网栅，提高成像质量。
本发明实施例的第一方面提供了一种光学窗口电磁屏蔽金属网栅制备方法，包括：
在光学窗口表面制备规则多边形金属网栅，规则多边形金属网栅中的各个多边形的大小形状均相同、且紧密相连；
对于每个多边形，在其任意两条边上随机选取两点并使用金属线连接，将每个多边形随机分割为两个多边形，得到非规则多边形金属网栅；
检测非规则多边形金属网栅的结构参数是否达到预设标准；
若结构参数没有达到预设标准，则重复执行将非规则多边形金属网栅中的每个多边形随机分割为两个多边形的步骤，直至结构参数达到预设标准。
可选的，规则多边形金属网栅中的多边形为正四边形、正五边形或正六边形，对于曲面光学窗口，优选的规则多边形金属网栅结构为正四边形。
可选的，结构参数包括随机度、透光率、导电性和电磁屏蔽性；
检测非规则多边形金属网栅的结构参数是否达到预设标准，包括：
若非规则多边形金属网栅的随机度、透光率、导电性和电磁屏蔽性均达到预设标准，则判定其结构参数达到预设标准。
可选的，在光学窗口表面制备规则多边形金属网栅，包括：
对光学窗口表面进行清洗；
在光学窗口表面旋涂光刻胶，并将其放入恒温加热箱中进行前烘处理；
采用激光直写曝光技术或紫外光学曝光技术，在光刻胶上曝光多边形图案并进行显影；
通过去离子水清洗光学窗口，并将其放入恒温加热箱中进行后烘处理；
在光学窗口表面镀制金属膜，并将光学窗口放入丙酮溶液中进行恒温超声振荡处理，得到规则多边形金属网栅。
可选的，前烘处理、后烘处理的温度为80℃～110℃，时间为5～20分钟。
可选的，在光学窗口表面镀制金属膜，包括：
在真空度小于10～3Pa的环境下，通过物理气相沉积方式在光学窗口表面先后镀制打底金属层和金属层，得到金属膜；其中，
打底金属层的材料为镍铬合金，厚度为10～50nm；
金属层的材料为铜、金、铝中的任意一种，厚度为100～300nm。
可选的，恒温超声振荡处理的温度为30℃～80℃，时间为10～20分钟。
可选的，在结构参数达到预设标准之后，还包括：
对光学窗口进行高温真空烘烤，并在光学窗口表面制备保护膜；
其中，高温真空烘烤的真空度小于10-3Pa、温度大于150℃；在光学窗口表面制备保护膜的方法为物理气相沉积法，保护膜的材料与光学窗口的基底材料类型相同，保护膜的厚度大于光学窗口表面金属膜的厚度。
本发明实施例的第二方面提供了一种光学窗口电磁屏蔽金属网栅，该光学窗口电磁屏蔽金属网栅由如上述第一方面的光学窗口电磁屏蔽金属网栅制备方法制备得到。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
本发明实施例通过在光学窗口表面制备规则多边形金属网栅，然后不断对规则多边形金属网栅中的每个多边形进行随机分割，直至金属网栅的结构参数达到预设标准，最终所得到的金属网栅既包括周期性规则图形又包括不规则图形，其中不规则图形能够有效降低高衍射级次杂散光对光学系统成像质量的影响，结合规则图形能够使金属网栅连接充分、增强导电性能，保证光学窗口系统高质量成像和强电磁屏蔽双重调控目标的实现。并且，在制备过程中，还可以根据需要设置结构参数的标准，灵活调控金属网栅的随机度，且实现方法简单、高效、易实现、适用范围广，尤其适应于大口径、大陡度深曲面光学窗口表面的电磁屏蔽金属网栅加工情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的光学窗口电磁屏蔽金属网栅的制备流程图一；
图2是本发明实施例提供的光学窗口电磁屏蔽金属网栅的制备流程图二；
图3是本发明实施例提供的周期型规则金属网栅的光学衍射效率分布图；
图4是本发明实施例提供的随机型金属网栅的光学衍射效率分布图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
目前，利用先进的微纳加工技术制作出掩模图案，结合金属薄膜物理气相沉积技术，可以制作出透光性能和电磁屏蔽性能优异的透明导电金属网栅结构。但是，基于传统光刻模板制作的电磁屏蔽金属网栅图案通常都是周期性的，实际使用过程中将无法避免高级次衍射造成的杂散光影响，从而影响红外探测系统的成像灵敏度和精度。引入随机分布结构的理念，通过增加图案的随机性，有利于提高高级次衍射分布的均匀性。对此，现有文件“基于二维正交分布相切圆环及内切子圆环阵列的电磁屏蔽窗”、“基于三角分布相切圆环及内切子圆环阵列的电磁屏蔽光窗”和“双层交错多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗”分别描述了三种不同组合类型的圆环型网栅阵列，显著降低了高级次衍射光强分布的不均匀性，但上述类型阵列对于加工对准精度要求较高，加工工艺不当极易出现接触不好，甚至断线。如何设计光电性能良好的电磁屏蔽金属网栅结构，同时减小高级次杂散光对成像质量影响，是目前亟需解决的问题。
为克服目前光学窗口电磁屏蔽金属网栅设计过程中存在的衍射光强分布不均匀性、大面积随机图案阵列生成效率低、实际工程可加工性差等不足，本发明实施例提出了一种组合式的光学窗口电磁屏蔽金属网栅制备方法。该金属网栅由周期性规则多边形及其内部的非规则多边形组成，参见图1所示，该金属网栅的实现方法如下：
在光学窗口表面制备规则多边形金属网栅，规则多边形金属网栅中的各个多边形的大小形状均相同、且紧密相连，如图1a所示。
对于每个多边形，在其任意两条边上随机选取两点并使用金属线连接，将每个多边形随机分割为两个多边形，得到非规则多边形金属网栅，如图1b所示。
检测非规则多边形金属网栅的结构参数是否达到预设标准，若结构参数没有达到预设标准，则重复执行将非规则多边形金属网栅中的每个多边形随机分割为两个多边形的步骤，直至结构参数达到预设标准，如图1c所示。
在本发明实施例中，光学窗口可以是曲面光学窗口或直面光学窗口，可以在光学窗口的一面制备金属网栅，也可以在两面均制备金属网栅。
在图1所示的实施例中，多边形金属网栅中的多边形为正六边形。在一些实施例中，规则多边形金属网栅中的多边形还可以是三角形、四边形、五边形等，例如图2就示出了一种正四边形的示例。其中，多边形的大小可以根据实际的加工面积需求设置，例如六边形边长可以设置为300μm。
作为一种可能的实现方式，结构参数可以包括但不限于随机度、透光率、导电性和电磁屏蔽性中的一项或多项。随着对多边形进行不断分割，金属网栅的随机度会提高、透光率会下降、导电性和电磁屏蔽性均增强，检测非规则多边形金属网栅的结构参数是否达到预设标准，可以是：
若非规则多边形金属网栅的随机度、透光率、导电性和电磁屏蔽性同时达到预设标准，则判定其结构参数达到预设标准。
可见，本发明实施例通过在光学窗口表面制备规则多边形金属网栅，然后不断对规则多边形金属网栅中的每个多边形进行随机分割，直至金属网栅的结构参数达到预设标准，最终所得到的金属网栅既包括周期性规则图形又包括不规则图形，其中不规则图形能够有效降低高衍射级次杂散光对光学系统成像质量的影响，结合规则图形能够使金属网栅连接充分、增强导电性能，保证光学窗口系统高质量成像和强电磁屏蔽双重调控目标的实现。并且，在制备过程中，还可以根据需要设置结构参数的标准，灵活调控金属网栅的随机度，且实现方法简单、高效、易实现、适用范围广、调控方式灵活、综合调控效果好，尤其适应于大口径、大陡度曲面光学窗口内、外表面电磁屏蔽金属网栅加工情况，能够较好地解决现有曲面光学窗口表面随机电磁屏蔽金属网栅结构难以加工实现技术难题，有效解决曲面光学窗口表面规则金属网栅结构存在的高级次衍射杂散光干扰影响、导电性能差等不足。
作为一种可能的实现方式，在光学窗口表面制备规则多边形金属网栅，可以详述为以下步骤：
S1、对光学窗口表面进行清洗。
该步骤具体包括：用脱脂纱布蘸无水乙醇擦拭光学窗口表面，再用蘸有氧化铈或纳米金刚石抛光液的脱脂纱布均匀擦拭光学窗口表面，然后依次用脱脂纱布蘸无水乙醇和乙醚的混合液(1:1)擦拭光学窗口表面，用哈气法自检，直至光学窗口表面目视无油污、尘粒、擦痕并且哈气均匀为止。
S2、在光学窗口表面喷涂光刻胶，并将其放入恒温加热箱中进行前烘处理。
在该步骤中，可以通过喷涂的方式喷涂正性光刻胶，光刻胶厚度为1～5μm。然后放入恒温加热箱中，以80℃～110℃恒温烘烤5～20分钟。
S3、采用激光直写曝光技术，在光刻胶上刻画多边形图案并进行曝光显影。
在该步骤中，采用激光直写曝光技术，开启经纬线刻划，完成对光刻胶周期性经纬图案的曝光处理，固体激光器参数为：波长355nm，激光功率50mW～100mW，曝光线宽5μm～20μm；曝光周期200μm～400μm；刻划速率为10mm/s～50mm/s。利用显影液对样件进行显影，显影时间50～100秒，显影后得到满足要求的沟槽线条线宽5μm～20μm，周期200μm～400μm。
S4、通过去离子水清洗光学窗口，并将其放入恒温加热箱中进行后烘处理。
在该步骤中，将显影后的样件通过喷淋去离子水方式清洗10～30秒，然后再将样件放入恒温加热箱中，以80℃～110℃恒温烘烤5～20分钟。
S5、在光学窗口表面镀制金属膜，并将光学窗口放入丙酮溶液中进行恒温超声振荡处理，得到规则多边形金属网栅。
在该步骤中，将样件放置到镀膜机中，抽真空至小于10-3Pa，用离子源(束流50～100mA，束压200～400V)轰击样件5～10min，先后镀制打底金属层(镍铬合金10nm～50nm)和金属层(铜、金、铝等，100nm～300nm)，镀膜温度小于120℃，膜层蒸发速率0.2nm/s～2.0nm/s。然后放入丙酮溶液中，恒温(30℃～80℃)超声振荡10～20分钟，得到周期性规则多边形金属网栅。
作为一种可能的实现方式，在实际应用中，为了提高电磁屏蔽金属网栅的制备效率，尤其是对于大口径、深曲面光学窗口表面金属网栅结构制备情况，在允许一定误差的情况下，对于每个多边形，在其任意两条边上随机选取两点并使用金属线连接，将每个多边形随机分割为两个多边形，得到非规则多边形金属网栅，可以由如下方式实现：
S6、通过喷涂法，喷涂一定浓度的金属纳米线悬浮液，在周期性金属网栅表面制备随机分布的金属纳米线网络，从而形成规则图形+不规则图形的组合式随机电磁屏蔽结构。其中，金属网栅的结构参数可以由金属纳米线悬浮液的浓度进行调控，金属纳米线可以是但不限于银、镍、铂、金中的任意一种，优选金属纳米线为银，直径不大于100nm，长度不小于1μm。喷涂过程中基片以100～500转/分的速度进行旋转，基片温度保持25℃～100℃。
则整体的光学窗口电磁屏蔽金属网栅制备方法可以是：
在光学窗口表面制备规则多边形金属网栅，规则多边形金属网栅中的各个多边形的大小形状均相同、且紧密相连；
通过喷涂法，在规则多边形金属网栅表面喷涂预设浓度(或密度)的金属线，制备随机分布的金属线网络，形成非规则多边形金属网栅；
检测非规则多边形金属网栅的结构参数是否达到预设标准；
若结构参数没有达到预设标准，则继续在规则多边形金属网栅表面喷涂金属线，增加金属线的浓度，直至结构参数达到预设标准。
作为一种可能的实现方式，在结构参数达到预设标准之后，还包括：
S7、对光学窗口进行高温真空烘烤，并在光学窗口表面制备保护膜。
在该步骤中，高温真空烘烤的真空度小于10-3Pa、温度大于150℃。可以通过物理气相沉积方法(热蒸发法或溅射法)制备与光学窗口的基底材料类型相同的保护膜，如在白宝石基底上制备Al2O3保护膜，在硫化锌基底上制备ZnS保护膜，在氟化镁基底上制备MgF2膜等，膜层厚度大于光学窗口表面金属膜的厚度。自然降温至25℃～30℃，完成电磁屏蔽金属网栅的制备。
图3为周期型规则金属网栅的光学衍射效率分布图，图4为本实发明制备的随机型金属网栅的光学衍射效率分布图。可见，周期型规则金属网栅结构的高级次衍射光集中分布现象非常明显，该部分光能量将以红外成像系统背景杂散光形式存在，这将严重影响到红外探测成像系统的成像质量和灵敏度；相比而言，本发明制备的随机型金属网栅结构能量主要集中分布在零级衍射位置，而除零级衍射光外的高级次衍射光能量空间分布较为均匀，集中分布现象非常微弱，从而有利于降低其对红外测成像系统的干扰，显著提高红外探测成像系统的成像质量。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
本发明一实施例还提供了一种光学窗口电磁屏蔽金属网栅，该光学窗口电磁屏蔽金属网栅由如上述的光学窗口电磁屏蔽金属网栅方法制备得到。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光学窗口电磁屏蔽金属网栅制备方法，其特征在于，包括：
在光学窗口表面制备规则多边形金属网栅，所述规则多边形金属网栅中的各个多边形的大小形状均相同、且紧密相连，所述光学窗口为曲面光学窗口；
通过喷涂法，在规则多边形金属网栅表面喷涂预设浓度的金属线，制备随机分布的金属线网络，形成非规则多边形金属网栅；
检测所述非规则多边形金属网栅的结构参数是否达到预设标准；
若结构参数没有达到预设标准，则继续在规则多边形金属网栅表面喷涂金属线，以增加金属线的浓度，直至结构参数达到预设标准。
2.如权利要求1所述的光学窗口电磁屏蔽金属网栅制备方法，其特征在于，所述规则多边形金属网栅中的多边形为正四边形、正五边形或正六边形。
3.如权利要求1所述的光学窗口电磁屏蔽金属网栅制备方法，其特征在于，所述结构参数包括随机度、透光率、导电性和电磁屏蔽性；
检测所述非规则多边形金属网栅的结构参数是否达到预设标准，包括：
若所述非规则多边形金属网栅的随机度、透光率、导电性和电磁屏蔽性均达到预设标准，则判定其结构参数达到预设标准。
4.如权利要求1-3任一项所述的光学窗口电磁屏蔽金属网栅制备方法，其特征在于，在光学窗口表面制备规则多边形金属网栅，包括：
对光学窗口表面进行清洗；
在光学窗口表面旋涂光刻胶，并将其放入恒温加热箱中进行前烘处理；
采用激光直写曝光技术或紫外光学曝光技术，在光刻胶上曝光多边形图案并进行显影；
通过去离子水清洗光学窗口，并将其放入恒温加热箱中进行后烘处理；
在光学窗口表面镀制金属膜，并将光学窗口放入丙酮溶液中进行恒温超声振荡处理，得到规则多边形金属网栅。
5.如权利要求4所述的光学窗口电磁屏蔽金属网栅制备方法，其特征在于，所述前烘处理、后烘处理的温度为80℃～110℃，时间为5～20分钟。
6.如权利要求4所述的光学窗口电磁屏蔽金属网栅制备方法，其特征在于，在光学窗口表面镀制金属膜，包括：
在真空度小于10-3Pa的环境下，通过物理气相沉积方式在所述光学窗口表面先后镀制打底金属层和金属层，得到所述金属膜；其中，
所述打底金属层的材料为镍铬合金，厚度为10～50nm；
所述金属层的材料为铜、金、铝中的任意一种，厚度为100～300nm。
7.如权利要求4所述的光学窗口电磁屏蔽金属网栅制备方法，其特征在于，所述恒温超声振荡处理的温度为30℃～80℃，时间为10～20分钟。
8.如权利要求4所述的光学窗口电磁屏蔽金属网栅制备方法，其特征在于，在结构参数达到预设标准之后，还包括：
对光学窗口进行高温真空烘烤，并在光学窗口表面制备保护膜；
其中，所述高温真空烘烤的真空度小于10-3Pa、温度大于150℃；在光学窗口表面制备保护膜的方法为物理气相沉积法，保护膜的材料与光学窗口的基底材料类型相同，保护膜的厚度大于光学窗口表面金属膜的厚度。
9.一种光学窗口电磁屏蔽金属网栅，其特征在于，所述光学窗口电磁屏蔽金属网栅由如权利要求1-8任一项所述的方法制备得到。
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