雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗的製作方法

2023-04-23 06:20:51

雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗的製作方法
【專利摘要】雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光學窗屬於電磁屏蔽【技術領域】，電磁屏蔽光學窗由兩層金屬網柵旋轉交錯排列加載於光窗兩側構成，每層金屬網柵均由相同直徑外切連通的金屬圓環按正交排列分布密接排布構成，每個圓環內具有與該圓環內切連通的子圓環；鄰基本圓環連接處和基本圓環與其內切連通子圓環連接處，通過線條交疊或設置保證金屬環切點間可靠電聯接的金屬，確保所有圓環相互連通導電。通過雙層網柵交錯角的選取，本發明的金屬網柵結構可顯著的降低網柵高級衍射光強分布的不均勻性，使衍射造成的雜散光分布更加均勻，對成像影響更小；選取合適的基片厚度，可獲得良好的電磁屏蔽效率。
【專利說明】雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗【技術領域】
[0001]本發明屬於光學透明件電磁屏蔽領域，特別涉及一種雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗。
【背景技術】
[0002]隨著電磁波應用頻譜的展寬和強度的增加，對航天航空裝備、先進光學儀器、通訊設備、醫療診斷儀器和保密設施等領域應用的電磁屏蔽光窗的要求越來越高，主要是要求光窗具有超強的寬波段電磁屏蔽能力的同時，還具有極高的透光率，對光學成像、觀測、探測的影響越小越好。比如，航天航空裝備領域中飛行器的光窗，必須高品質的實現艙內外的電磁信號隔離，一方面屏蔽外部電磁幹擾和有害電磁信號，以免造成艙內電子設備失效，一方面防止艙內電子設備工作時電磁信號透出光窗造成電磁洩漏，但光窗的透光性是其必備的功能，對光窗進行電磁屏蔽應儘可能的減小對其透明性的影響，特別是儘可能的不影響光學探測或光學成像功能；與此類似，先進光學儀器的光窗也要有儘可能高的透光率和儘可能低的成像質量影響，以實現高品質的探測和測量，同時要防止電磁幹擾對儀器內部光電探測器件的影響；對於黨政機關、軍事指揮場所、重要科研單位的保密建築設施，需要對其房屋的窗玻璃在保證採光性的同時，進行電磁屏蔽設計，以防止室內電腦等電子設備工作時重要信息以電磁輻射形式向窗外傳播造成洩密；醫療用電磁隔離室光窗要保證室內的電磁波絕大部分被屏蔽而防止室外操作人員長期被電磁波輻射而損害健康，等等。目前這類光窗的電磁屏蔽主要採用透明導電薄膜、金屬誘導透射型多層膜結構、帶阻型頻率選擇表面和具有毫米亞毫米周期的金屬網柵等。
[0003]透明導電薄膜是一種以氧化銦錫為主要材料的透明金屬氧化物薄膜，常應用於可見光波段透明的場合，但是不能兼顧較寬的透光波段，雖具有較寬的微波屏蔽波段但屏蔽能力不強。金屬誘導透射型多層膜結構採用多層薄金屬膜與介質膜複合結構來實現對電磁波的屏蔽，對低頻微波屏蔽能力較強，透光區域主要為可見光和紫外光，但透光率不高。頻率選擇表面採用周期性諧振單元結構實現帶通或帶阻濾波器功能，由於其金屬覆蓋率較高，能夠很好地反射工作頻帶以外的幹擾電磁波，但是光學透光率較低，降低了光學探測的成像質量，給光學圖像處理、模式識別、目標搜索和跟蹤帶來了困難。綜上所述，同時滿足光窗的寬波段高透光率和寬頻段電磁屏蔽兩個要求，上述各技術方案均存在明顯不足。相比而言，具有毫米亞毫米周期的金屬網柵，由於其周期比幹擾電磁波長小得多，可以實現較強的低頻寬波段電磁屏蔽；而金屬網柵周期又遠大於光學波長，可以保證光學波段的透光率。因此，毫米亞毫米周期的金屬網柵具有良好的透明導電性能，可滿足光窗對高透光率和寬頻段電磁屏蔽的要求，在光窗電磁屏蔽【技術領域】得到了廣泛的應用:
[0004]1.專利03135313.5 「一種電磁屏蔽觀察窗」用單重或多重金屬絲網以及類半導體量子阱結構組合成電磁屏蔽結構，可實現IOGHz以內超過50dB的屏蔽效率，該結構在可見光高透射區域的透光率達到50%以上。
[0005]2.專利93242068.0 「電磁屏蔽玻璃」在兩層玻璃之間夾導電金屬網，在玻璃外側用導電透明膜使之粘合在金屬窗框上以構成電磁屏蔽結構，該結構有一定的採光性。
[0006]3.專利94231862.5 「無莫爾條紋電磁屏蔽觀察窗」採用由兩層數目不同的金屬網平行放置，且它們經線或者緯線有一定的夾角，以達到克服莫爾條紋現象，實現更清晰的視野。
[0007]4.專利02157954.7 「高屏效防信息洩漏玻璃」在金屬絲網兩側各有一層聚碳酸脂膠片，膠片外側各貼附一層玻璃，最後熱壓而成電磁屏蔽結構，該結構在透光率達到60 %的情況下，具有較強的屏蔽效率。
[0008]5.專利200610084149.8 「電磁波屏蔽薄膜及其製造方法」描述了一種由光刻工藝形成的具有金屬網狀圖案的高透明電磁屏蔽薄膜，該發明的主要目的在於減少金屬耗用量和克服在金屬層和薄膜基材之間使用固化膠造成的環境汙染。
[0009]6.美國專利 US4871220「Short wavelength pass filter having a metal meshon a semiconducting substrate」描述了一種具有正方形結構的金屬網柵,用於實現光窗的抗電磁幹擾性能。
[0010]7.專利201010239355.8 「一種具有經緯形網柵結構的電磁屏蔽共形光學窗」描述了一種通過金屬網柵技術和共形光學窗技術實現的一種具有經緯形金屬網柵結構的共形電磁屏蔽光學窗，主要解決共形光學窗金屬網柵的結構設計問題，提高共形光學窗的電磁屏蔽性能。
[0011]8.專利200610010066.4 「具有圓環金屬網柵結構的電磁屏蔽光學窗」描述了一種具有圓環外形的金屬網柵單元，用於實現光學窗的電磁屏蔽功能；相比單層方格金屬網柵，透光率和屏蔽能力得到了提高，高級次衍射造成的雜散光也得到了一定的均化。
[0012]9.專利200810063988.0 「一種具有雙層方格金屬網柵結構的電磁屏蔽光學窗」描述了一種由結構參數相同的方格金屬網柵或金屬絲網平行放置於光學窗或透明襯底兩側構成的電磁屏蔽光學窗，在不降低透光率的同時，大幅度提高了電磁屏蔽效率。
[0013]10.專利200810063987.6 「一種具有雙層圓環金屬網柵結構的電磁屏蔽光學窗」描述了 一種由兩層圓環金屬網柵加載於光學窗兩側構成的電磁屏蔽光學窗，解決高透光率和強電磁屏蔽效率不能同時兼顧的問題。
[0014]11.美國Battelle研究院Jennifer 1.Halman等人開發的基於圓環單元的轂-福條型結構和多圓環交疊結構的感性金屬網柵(Jennifer 1.Halman等,「Predicted andmeasured transmission and diffraction by a metallic mesh coating，，.Proc.SPIE,2009,7302:73020Y-l-73020Y-8)，並認為該結構可使得網柵高級次衍射分布均化，實現低
旁瓣，對成像有利。
[0015]12.美國 Exotic Electro-Optics 公司的 Ian B.Murray、美國亞利桑那大學的Victor Densmore和Vaibhav Bora等人共同報導了對轂-福條型結構和多圓環交疊結構的感性網柵引入了參數隨機分布設計後對衍射特性的影響(Ian B.Murray, VictorDensmore, Vaibhav Bora 等人，「Numerical comparision of grid pattern diffractioneffects throigh measurement and modeling with OptiScan software，，，Proc.SPIE,2011,8016:80160U-1-80160U-15)，指出各圓環間距和直徑在一定範圍內隨機取值，有利於提高高級次衍射分布的均勻性。
[0016]上述各方案由於採用金屬網柵(或金屬絲網)作為屏蔽的核心器件，可以實現較好的電磁屏蔽效果和一定的透光率。但採用金屬網柵(或金屬絲網)作為電磁屏蔽結構，就不可避免的受到網柵在光學波段衍射的影響。由於金屬網柵的周期在毫米或者亞毫米量級，為實現較高的透光率，其金屬線條寬度一般在微米和亞微米量級，這樣的結構參數在光學波段具有非常強的衍射效應。入射光絕大部分能量被金屬網柵透射，透射部分包含零級衍射光和高級次衍射光，通常，零級次衍射光是用於成像和觀測的有用信息，高級次衍射光則構成雜散光，對成像和探測產生幹擾。因此，應儘可能的提高零級次衍射光所佔的比重，同時，在高級次衍射光不可避免出現的前提下，儘可能使高級次衍射光分布比較均勻，其形成的雜散光成為比較均勻的背景或者噪聲。
[0017]目前金屬網柵主要為傳統方格網柵結構，如上述專利1-6所主要採用的結構(專利7的結構由於加工在曲面之上，是一種類方格結構)，方格網柵結構透光能力與屏蔽能力存在固有的矛盾，難以同時兼顧高透光率和強電磁屏蔽效率，特別是方格網柵的高級次衍射能量主要集中在互相垂直的兩軸上，對成像質量有一定的影響，甚至在高成像質量要求的場合難以應用。改變網柵衍射特性一般需要改變其結構特徵，上述專利200610010066.4 「具有圓環金屬網柵結構的電磁屏蔽光學窗」提出用金屬圓環構建成圓環金屬網柵，改善了方格金屬網柵高級次衍射能量集中分布的缺點，並可以緩解其透光能力與屏蔽能力的矛盾。上述文獻11和12中，Jennifer 1.Halman等人和Ian B.Murray等人，也都提出了基於圓環單元的金屬網柵結構來提高高級次衍射分布的均勻性，但JenniferI.Halman等人的研究也是單周期圓環排列結構,且排列方向確定,其對調節高級次衍射的作用與專利200610010066.4提出的結構相當，而Ian B.Murray等人的研究雖然更進一步，提出隨機交疊圓環結構，令圓環直徑和間距在一定範圍內隨機分布取值，實現進一步提高高級次衍射分布均勻性，但圓環直徑和間距的隨機分布改變了網孔分布的均勻性，將損害電磁屏蔽效率。
[0018]隨著電磁環境的日益複雜，對電磁屏蔽光窗的透光能力和電磁屏蔽能力的要求在不斷提高，尤其是在航空航天裝備領域和先進光學儀器領域，已經要求光窗達到95%甚至更高的透光率的同時，還具有極低的成像質量影響，在低於20GHz的微波頻率範圍實現30dB以上的屏蔽效率，這使得現有的技術難以實現。專利200810063988.0和專利200810063987.6均採用了雙層金屬網柵平行放置於光窗透明基片或襯底的兩側構成，兩層金屬網柵具有相同的單元外形和結構參數，通過優化兩層網柵的間距，實現不降低透光率的同時，大幅度提高了電磁屏蔽效率。但這種雙層網柵結構高級次衍射雜散光分布仍然與透光率相同的單層網柵相當，不完全滿足未來航空航天裝備和先進光學儀器等領域對低成像質量影響的要求。

【發明內容】

[0019]本發明的目的在於克服上述已有的光窗電磁屏蔽技術方案的不足，特別是針對現有單層方格金屬網柵、單層圓環網柵、雙層方格和圓環網柵存在高級次衍射造成的雜散光分布相對集中的問題，研發一種雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，達到實現高級次衍射的深度均化和極低的成像質量影響的目的，同時也具有較好的電磁屏蔽效率。
[0020]本發明米用的技術方案是:米用一種雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，在光窗透明基片或襯底的兩側平行放置兩層金屬網柵，兩層金屬網柵具有相同的單元外形和結構參數，每層金屬網柵均由相同直徑的金屬圓環作為基本圓環按二維正交分布排列密接排布構成並加載於光窗透明基片或襯底表面，且相鄰基本圓環外切連通；其特徵在於:兩層金屬網柵旋轉交錯排列，在單層金屬網柵中每個基本圓環內設有與其內切連通、金屬的子圓環，所述的基本圓環與其內切連通的子圓環共同組成二維網柵結構的基本單元；所述的基本圓環與其內切連通的子圓環的直徑為毫米和亞毫米量級，所述的基本圓環與其內切連通的子圓環的金屬線條寬度為微米和亞微米量級；所述的旋轉交錯排列是指:透明基片或襯底兩側的金屬網柵按非對稱放置時，兩層金屬網柵之間具有相對旋轉，相對旋轉角度為交錯角；所述的外切連通包括:①兩圓環外切且外切切點處設置將兩圓環連通的連接金屬，②兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構，③兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構的同時，在交疊處設置將兩圓環連通的連接金屬；所述的內切連通包括:①兩圓環內切且內切切點處設置將兩圓環連通的連接金屬，②兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構，③兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構的同時，在交疊處設置將兩圓環連通的連接金屬。
[0021]述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，所述的每個基本單元內子圓環個數大於或等於2個，且直徑相同或不同，相鄰子圓環的圓心和基本圓環圓心連線所組成的夾角為任意角度，不同基本單元中的子圓環為等直徑或非等直徑圓環，個數相同或不同。
[0022]上述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，所述的基本單元內相鄰子圓環外切連通或相交。
[0023]作為一種優選的結構方式，上述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，所述的基本單元中子圓環的直徑相同，相鄰子圓環的圓心和基本圓環圓心連線所組成的夾角相等。不同基本單元中的子圓環個數相同，直徑相等。
[0024]作為一種優選的結構方式，上述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，所述的不同基本單元中的子圓環相對位置相同，並由一個基本單元複製後按二維正交分布排列密接排布構成單層二維金屬網柵。
[0025]作為一種優選的結構方式，上述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，所述的在單層二維金屬網柵中，相鄰基本單元中的子圓環相對位置不同，並由一個基本單元複製後按二維正交分布排列密接排布構成二維金屬網柵，其中任意一個基本單元相對於其相鄰基本單元在二維平面內繞自身基本圓環圓心旋轉一定角度。
[0026]作為一種優選的結構方式，上述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，所述的同一行中的任意基本單元相對相鄰基本單元旋轉的角度相同。
[0027]上述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，所述的基本圓環與子圓環均由導電性能良好的合金構成，且合金厚度大於lOOnm。
[0028]上述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，所述的金屬網柵與光窗透明基片或襯底材料之間用鉻或者鈦材料構成的粘接層粘接。
[0029]上述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗,所述的雙層金屬網柵的交錯角度選取範圍在1°?25°，27°?35°，37°?52°，54°?88°。
[0030]上述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，其特徵在於:附有雙層金屬網柵的透明基片或襯底厚度小於5mm。
[0031]本發明的創新性和良好效果是:
[0032]在光窗透明基片或襯底的兩側平行放置兩層金屬網柵，兩層金屬網柵具有相同的單元外形和結構參數，每層金屬網柵均由相同直徑的金屬圓環作為基本圓環按二維正交分布排列密接排布構成並加載於光窗透明基片或襯底表面，且相鄰基本圓環外切連通；本發明的創新性在於:兩層金屬網柵旋轉交錯排列，在單層金屬網柵中每個基本圓環內設有與其內切連通、金屬的子圓環，所述的基本圓環與其內切連通的子圓環共同組成二維網柵結構的基本單元；所述的基本圓環與其內切連通的子圓環的直徑為毫米和亞毫米量級，所述的基本圓環與其內切連通的子圓環的金屬線條寬度為微米和亞微米量級；所述的旋轉交錯排列是指:透明基片或襯底兩側的金屬網柵按非對稱放置時，兩層金屬網柵之間具有相對旋轉，相對旋轉角度為交錯角；所述的外切連通包括:①兩圓環外切且外切切點處設置將兩圓環連通的連接金屬，②兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構，③兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構的同時，在交疊處設置將兩圓環連通的連接金屬；所述的內切連通包括:①兩圓環內切且內切切點處設置將兩圓環連通的連接金屬，②兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構，③兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構的同時，在交疊處設置將兩圓環連通的連接金屬。本發明的創新性產生的良好效果主要集中於均化金屬網柵的高級次衍射能量分布，同時具有較高的電磁屏蔽效率，具體如下:
[0033]對於單層金屬網柵，基本圓環採用二維正交分布為基本排列方式很好地克服傳統方格金屬網柵存在的高級次衍射能量集中分布的缺點，具有良好的均化高級次衍射能量分布的特性；在基本圓環中加入子圓環組成基本單元，因為在每個基本單元中的子圓環個數、直徑和位置關係的不同，使其結構疏鬆，排布雜散，因此高級次衍射能量較低，而且高級次衍射分布較均勻，避免出現像傳統方格金屬網柵存在的高級次衍射能量集中分布的情況；同時，在保證透光率相同時，與僅有基本圓環陣列的結構相比，需要增加基本圓環的直徑，從整體上降低了各陣列的高級次衍射能量；又因為子圓環陣列結構產生的高級次衍射與基本圓環陣列結構的高級次衍射發生疊加的概率很低，尤其是優化結構和參數後它們能量較高的高級次衍射不發生疊加，從而均化了高級次衍射能量分布，這是本發明金屬網柵的均化高級次衍射能量分布的原因之一；
[0034]每個基本單元都可以以其基本圓環的圓心為中心旋轉一定角度，不改變金屬網柵的孔徑比進而不影響透光率，但可對高級次衍射級能量分布進一步進行調製，能夠更好地均化高級次衍射能量分布，這是本發明金屬網柵均化高級次衍射能量分布的原因之二。
[0035]將上述金屬網柵用於構建具有交錯角的雙層金屬網柵時，因為雙層金屬網柵之間的襯底對透光性能影響很低，而在保證構建的雙層金屬網柵的總透光率與構建前單層金屬網柵的透光率相同時，需要增加用於構建雙層金屬網柵的單層金屬網柵各圓環的直徑，這導致雙層金屬網柵的兩層金屬網柵的高級次衍射級能量分布均明顯降低，當這樣兩層金屬網柵組成雙層網柵時，由於按旋轉交錯排列，有效地避免了兩層網柵能量較高的各高級次衍射級次的疊加，從整體上均化了高級次衍射級能量分布，這是本發明金屬網柵均化高級次衍射能量分布的原因之三。
[0036]綜上，本發明的金屬網柵結構可實現網柵高級次衍射能量分布的深度均化，這是本發明的最突出效果。另外，對於單層金屬網柵結構，在基本圓環結構中加入子圓環有效地改善了金屬圓環網柵結構的均勻性，且基本單元以其基本圓環的圓心為中心旋轉一定角度時，也不會改變金屬網柵結構的均勻性，在對高級次衍射級能量分布進行有效調製的同時，基本不影響電磁屏蔽效果，甚至在某些優選方案中可以提高電磁屏蔽效果。特別是，當用單層金屬網柵組成雙層金屬網柵時，雙層金屬網柵之間的電磁耦合很強，可顯著提高電磁屏蔽效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗的一種優選結構剖面示意圖。
[0038]圖2是雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗的基本圓環分布示意圖。
[0039]圖3是分別含有2，3，4，5個相同直徑外切連通子圓環的基本單元示意圖。
[0040]圖4是分別含有3，4，5，6個相同直徑相交連接子圓環的基本單元示意圖。
[0041]圖5是兩圓環外切連通方式示意圖。
[0042]圖6是兩圓環內切連通方式示意圖。
[0043]圖7是本發明的基本單元相對相鄰基本單元一種旋轉方式示意圖。
[0044]圖8是已有方格網柵結構示意圖。
[0045]圖9是已有方格網柵高級次衍射及其相對強度分布示意圖。
[0046]圖10是已有圓環網柵結構示意圖。
[0047]圖11是已有圓環網柵高級次衍射及其相對強度分布示意圖。
[0048]圖12是本發明中一種優選單層金屬網柵A結構示意圖。
[0049]圖13是本發明中優選單層金屬網柵A的高級次衍射及其相對強度分布示意圖。
[0050]圖14是本發明中雙層對稱排列金屬網柵結構示意圖。
[0051]圖15是本發明中雙層對稱排列金屬網柵高級次衍射及其相對強度分布示意圖。
[0052]圖16是本發明中雙層交錯排列金屬網柵結構示意圖。
[0053]圖17是本發明中雙層交錯排列金屬網柵高級次衍射及其相對強度分布示意圖。
[0054]圖18是五種網柵結構高級次衍射最大相對強度對比圖。
[0055]圖中件號說明:1.增透膜2.保護層3.金屬網柵4.粘接層5.透明基片6.粘接層7.金屬網柵8.保護層9.增透膜10.基本圓環11.子圓環12.連接金屬
【具體實施方式】
[0056]下面參照附圖和優選實施例對本發明進一步的描述:
[0057]雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，在光窗透明基片或襯底的兩側平行放置兩層金屬網柵3和7，兩層金屬網柵3和7具有相同的單元外形和結構參數，每層金屬網柵均由相同直徑的金屬圓環作為基本圓環10按二維正交分布排列密接排布構成並加載於光窗透明基片或襯底表面，且相鄰基本圓環10外切連通；兩層金屬網柵3和7按旋轉交錯方式排列，在單層金屬網柵中每個基本圓環10內設有與其內切連通、金屬的子圓環11，所述的基本圓環10與其內切連通的子圓環11共同組成二維網柵結構的基本單元；所述的基本圓環10與其內切連通的子圓環11的直徑為毫米和亞毫米量級，所述的基本圓環10與其內切連通的子圓環11的金屬線條寬度為微米和亞微米量級；所述的旋轉交錯排列是指:透明基片或襯底兩側的金屬網柵按非對稱放置時，兩層金屬網柵之間具有相對旋轉，相對旋轉角度為交錯角；所述的外切連通包括:①兩圓環外切且外切切點處設置將兩圓環連通的連接金屬12，②兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構，③兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構的同時，在交疊處設置將兩圓環連通的連接金屬12 ;所述的內切連通包括:①兩圓環內切且內切切點處設置將兩圓環連通的連接金屬12，②兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構，③兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構的同時，在交疊處設置將兩圓環連通的連接金屬12。圖1是雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗的一種優選結構剖面示意圖，所述的透明基片5可為任意透明材料，只要其能夠作為滿足使用場合要求的透明光窗材料，同時能夠將金屬網柵3和7按一定的工藝流程加工於其上；根據工藝流程，金屬網柵3與透明基片5通過粘接層4連接，金屬網柵7與透明基片5通過粘接層6連接；單層或者多層增透膜I和9增強光窗的透光能力，單層或者多層的保護層2和8，目的是防止金屬部分長期暴露於空氣中造成腐蝕和氧化，降低屏蔽能力，同時也防止金屬網柵3和7被劃傷。實際應用中，透明基片5也可以是透明襯底，用於將兩層金屬網柵加工於其兩側，透明基片或襯底、兩層金屬網柵3和7是本發明不可或缺的要素，根據工藝和實際應用場合，粘接層4和6、增透膜I和9、保護層2和8可以具備或不具備。
[0058]本發明的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，其中金屬網柵3和7具有相同的單元外形和結構參數。每層金屬網柵均由相同直徑的金屬圓環作為基本圓環10按二維正交分布排列密接排布構成金屬網柵的基本結構並加載於光窗透明基片或襯底表面，且相鄰基本圓環10外切連通，基本圓環10的分布如圖2所示，圖2中點A，B，C，D為四個相鄰基本圓環10的圓心，四個相鄰基本圓環中的任意一個圓環都與另外兩個圓環相鄰且外切連通，以圓心ABCD為頂點可構成一個正方形，其他任意四個按這種相鄰方式排布的基本圓環的圓心為頂點也構成正方形，即所有基本圓環10的圓心構成二維正交等距的點陣，這樣的排布方式確保所有的基本圓環10是按照二維正交分布密接排布構成金屬網柵基本結構。
[0059]本發明的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，每個基本圓環10內具有與該圓環內切連通的子圓環11，基本圓環10與其內切連通的子圓環11共同組成二維網柵結構的基本單元。基本圓環10和子圓環11的直徑在毫米和亞毫米量級，基本圓環10和子圓環11的金屬線條寬度在微米和亞微米量級，以保證高透光率和良好的電磁屏蔽效果。此外，基本圓環10、子圓環11和連接金屬12由導電性能良好的合金構成，如金、銀、銅、鋁等純金屬及金屬合金，且金屬厚度大於lOOnm。
[0060]本發明的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，每個基本單元內子圓環11的個數大於或等於2個，且直徑相同或不同，相鄰子圓環11的圓心和基本圓環10圓心連線所組成的夾角為任意角度；基本單元內相鄰子圓環11外切連通或相交。如圖3和圖4所舉優選方案為基本單元中子圓環11的直徑相同，並且相鄰子圓環11的圓心和基本圓環10圓心連線所組成的夾角相等:圖3為基本單元中相同直徑的子圓環11外切連通，其中圖3 (a) (b) (c) (d)分別表示子圓環11個數為2，3，4，5的基本單元示意圖；圖4為基本單元中相同直徑的子圓環11相交連接，其中圖4(a) (b) (c) (d)分別表示子圓環11個數為3,4,5,6的基本單元示意圖。[0061]圖5，圖6分別表示兩圓環外切連通和內切連通，通過線條交疊或設置(如覆蓋)保證金屬環切點間可靠電聯接的金屬，以確保相切的金屬圓環之間密接連通導電。其中，圖5(a) (b) (C)分別表示在外切連通時兩圓環呈無縫交疊結構示意圖:圖5(a)為兩圓環無縫交疊的一般情況，即兩圓環的圓心距小於兩圓環外切時的圓心距，且大於或等於兩圓環外切時的圓心距與兩圓環線條寬度之和的差值，圖5(b)為無縫交疊的一種特殊情況，兩圓環線條的內外輪廓相互外切，圖5(c)為無縫交疊的另一種特殊情況，兩圓環的圓心距等於兩圓環外切時的圓心距與兩圓環線條寬度之和的差值，即兩圓環線條的內輪廓外切，而圖5(d)中由於兩圓環外切，因此需要在切點處覆蓋保證金屬環切點間可靠電聯接的金屬。圖6(a) (b)分別表示在內切連通時兩圓環呈無縫交疊結構示意圖:圖6(a)表示在內切連通時兩圓環無縫交疊的一般情況，即兩圓環的圓心距大於兩圓環內切時的圓心距，且小於或等於兩圓環內切時的圓心距與直徑較大圓環線條寬度的和，圖6(b)表示在內切連通時兩圓環無縫交疊的一種特殊情況，兩圓環的圓心距等於兩圓環內切時的圓心距與直徑較大圓環線條寬度的和，即兩圓環線條的外輪廓內切，而圖6(c)表示直徑較小線條的外輪廓與直徑較大圓環線條的內輪廓內切，此時需要在切點處設置保證金屬環切點間可靠電聯接的金屬。此外，如果兩圓環無縫交疊時兩金屬圓環的交疊面積較小，不足以確保兩金屬圓環之間有可靠的電聯接，也需要在切點處覆蓋保證金屬圓環切點間可靠電聯接的金屬，以確保實現金屬環的外切連通或內切連通。而圖5(d)和圖6(c)所示是一種優選的切點處金屬連接方式，切點處覆蓋的連接金屬12為矩形，矩形的邊長大於金屬環線條寬度，矩形覆蓋切點連接處時要使矩形的一條邊完全落在一個金屬環線條內，而其對邊要完全落在相切的另一個金屬環線條內。依據不同的加工方法和工藝水平，圓環切點處也可以採用其它形式的連接金屬，只要能夠使相切的兩金屬環具有可靠的電聯接即可。
[0062]本發明中，不同基本單元中的子圓環11為等直徑或非等直徑圓環，個數相同或不同，以達到均化高級次衍射造成的雜散光的目的。作為一種優選方案，基本單元中子圓環11的直徑相同，相鄰子圓環11的圓心和基本圓環10圓心連線所組成的夾角相等；在此基礎上，不同基本單元中的子圓環11個數相同，直徑相等。作為這種優選方案的一個特例，不同基本單元中的子圓環11相對位置相同，並由一個基本單元複製後按二維正交分布排列密接排布構成單層金屬網柵3和7。為了實現良好的均化高級次衍射造成的雜散光效果，作為這種優選方案的另一個特例，本發明中單層的金屬網柵3和7陣列中的相鄰基本單元中的子圓環11相對位置不同，並由一個基本單元複製後按正交分布排列密接排布構成二維網柵陣列，其中任意一個基本單元相對於其相鄰基本單元在二維平面內繞自身基本圓環10圓心旋轉一定角度，同一行中的任意基本單元相對相鄰基本單元旋轉的角度可以相同；例如，圖7是本發明的基本單元相對相鄰基本單元一種旋轉方式示意圖，其中單層金屬網柵的基本單元選用四個直徑相同的子圓環11相交，且相鄰子圓環11的圓心和基本圓環10圓心連線所組成的夾角相等，同一行中每個基本單元相對相鄰基本單元依次旋轉了 60°角。
[0063]圖8和圖9分別為美國專利US4871220已有的方格網柵結構示意圖和其高級次衍射及其相對強度分布示意圖，圖10和圖11分別為專利200610010066.4已有的圓環網柵結構示意圖和其高級次衍射及其相對強度分布示意圖；圖12和圖13分別為本發明中優選方案A的金屬網柵結構示意圖和其高級次衍射及其相對強度分布示意圖，優選方案A中的金屬網柵選用的基本單元為四個直徑相同的子圓環11外切連通，且相鄰子圓環11的圓心和基本圓環10圓心連線所組成的夾角相等，相鄰基本單元按照圖7所示的旋轉方式進行了旋轉，且旋轉角度為22.5°。圖14和圖15分別為本發明中雙層對稱排列金屬網柵結構示意圖和其高級次衍射及其相對強度分布示意圖，兩層金屬網柵結構均選用優選方案A的單層網柵結構，且對稱排列在透明基片5兩側；圖16和圖17分別為本發明中雙層交錯排列金屬網柵結構示意圖和其高級次衍射及其相對強度分布示意圖，兩層金屬網柵結構仍然均選用優選方案A的單層網柵結構，但旋轉交錯排列在透明基片5兩側，交錯角α為20。，所述的交錯角是指當透明基片兩側的兩層金屬網柵由對稱排列變為旋轉交錯排列時，其中一層金屬網柵相對於另外一層金屬網柵在其所在平面內旋轉的角度，即兩層網柵旋轉交錯排列時的相對旋轉角度。
[0064]為了說明本發明在均化高級次衍射能量分布作用中的優越性，基於標量衍射理論，對上述五種結構的高級次衍射能量分布情況以及高級次衍射最大相對強度進行理論計算，計算時使各結構的透光率相同(均為95.4% )，其零級相對強度均為91%，即成像有用信息比例相同。優選方案A的單層金屬網柵結構以及雙層網柵結構與方格、圓環網柵相比，最高級次衍射相對強度明顯降低，且在相同考察區間內高級次衍射斑的個數明顯增力口，因而避免了高級次衍射能量集中在少數衍射級次上的問題，使高級次衍射能量分布更加均勻；圖18是上述五種結構的高級次衍射最大相對強度的具體數值，可見，方格金屬網柵結構的高級次衍射最大相對強度相對於其他結構明顯偏高，優選方案A所對應的金屬網柵結構的高級次衍射最大相對強度已經明顯降低，從0.0259% (已有的圓環網柵結構的高級次衍射最大相對強度)下降到0.0058%，降低了 78%，高級次衍射的均化效果明顯；雙層對稱排列金屬網柵結構的高級次衍射最大相對強度降低程度與優選方案A相近，從
0.0259% (已有的圓環網柵結構的高級次衍射最大相對強度)下降到0.0054%，降低了79%，而旋轉交錯排列的引入使得高級次衍射最大相對強度進一步地降低，從0.0054%降低到0.0014%，降低了 74%，與已有的圓環網柵結構的高級次衍射最大相對強度相比降低了 94%，完成了對高級次衍射的深度均化。綜上所述，本發明雙層交錯金屬網柵結構對均化高級次衍射能量分布的效果十分顯著，不僅優於美國專利US4871220已有的方格金屬網柵結構，也優於專利200610010066.4已有的圓環金屬網柵結構。
[0065]本發明的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，雙層金屬網柵的交錯角度可以有很多優選的範圍，例如，當雙層金屬網柵的交錯角度選取範圍在1°?25。,27°?35°，37°?52°，54°?88°這些範圍之內時，都可以達到優異的均化高級次衍射能量分布效果；而雙層網柵間距，即透明基片或襯底的厚度，合理選擇時，可顯著增強電磁屏蔽效率，例如，附有雙層金屬網柵的透明基片或襯底厚度小於5_時，可在低頻微波波段獲得良好的屏蔽效率。
[0066]本發明的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗中的金屬網柵3和7可以採用如下的加工方法加工製作:由電子束直寫等方式製作掩模，光窗透明基片5進行清洗後鍍鉻或者鈦作為粘接層4和6，其上鍍金屬薄膜，然後塗覆光刻膠，利用已加工好的掩模進行光刻，最後進行幹法或者溼法刻蝕，去膠後得到網柵圖案。也可以省去掩模製作環節，而直接採用雷射直寫的辦法來製作基於正交分布相切圓環及內切子圓環陣列的金屬網柵圖案。其它的微電子加工工藝流程或二元光學元件製作流程等也可以用來製作本發明的金屬網柵結構。[0067]本發明所涉及的透明基片5由實際應用場合決定，可以是普通玻璃、石英玻璃、紅外材料、透明樹脂材料等，本發明的基本圓環10及子圓環11金屬結構要根據透明基片5採取合適的加工工藝流程使之完全覆蓋於透明基片5之上，並且能夠和窗框等實現可靠的電聯接或密封以保證優良的電磁屏蔽功能。實際應用中，附有本發明網柵結構的透明基片5可以鍍增透膜來增加透光能力，也可以在網柵層表面鍍保護層以防止金屬結構長期放置於空氣中遭到腐蝕或氧化而降低屏蔽能力，也防止網柵層遭到劃傷、磨損或其它破壞。
【權利要求】
1.雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，在光窗透明基片或襯底的兩側平行放置兩層金屬網柵，兩層金屬網柵具有相同的單元外形和結構參數，每層金屬網柵均由相同直徑的金屬圓環作為基本圓環(10)按二維正交分布排列密接排布構成並加載於光窗透明基片或襯底表面，且相鄰基本圓環(10)外切連通；其特徵在於:兩層金屬網柵(3)和(7)旋轉交錯排列，在單層金屬網柵中每個基本圓環(10)內設有與其內切連通、金屬的子圓環(11)，所述的基本圓環(10)與其內切連通的子圓環(11)共同組成二維網柵結構的基本單元；所述的基本圓環(10)與其內切連通的子圓環(11)的直徑為毫米和亞毫米量級，所述的基本圓環(10)與其內切連通的子圓環(11)的金屬線條寬度為微米和亞微米量級；所述的旋轉交錯排列是指:透明基片或襯底兩側的金屬網柵按非對稱放置時，兩層金屬網柵之間具有相對旋轉，相對旋轉角度為交錯角；所述的外切連通包括:①兩圓環外切且外切切點處設置將兩圓環連通的連接金屬(12)，②兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構，③兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構的同時，在交疊處設置將兩圓環連通的連接金屬(12);所述的內切連通包括:①兩圓環內切且內切切點處設置將兩圓環連通的連接金屬(12)，②兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構，③兩圓環在連接處線條呈無縫交疊結構的同時，在交疊處設置將兩圓環連通的連接金屬(12)。
2.根據權利要求1所述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，其特徵在於:每個基本單元內子圓環(11)個數大於或等於2個，且直徑相同或不同，相鄰子圓環(11)的圓心和基本圓環(10)圓心連線所組成的夾角為任意角度，不同基本單元中的子圓環(11)為等直徑或非等直徑圓環，個數相同或不同。
3.根據權利要求1或2所述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，其特徵在於:基本單元內相鄰子圓環(11)相切連通或相交外切連通或相交，所述的相切連通包括外切連通或內切連通。
4.根據權利要求2所述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，其特徵在於:基本單元中子圓環(11)的直徑相同，相鄰子圓環(11)的圓心和基本圓環(10)圓心連線所組成的夾角相等；不同基本單元中的子圓環(11)個數相同，直徑相等。
5.根據權利要求4所述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，其特徵在於:不同基本單元中的子圓環(11)相對位置相同，並由一個基本單元複製後按二維正交分布排列密接排布構成單層二維金屬網柵。
6.根據權利要求14所述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，其特徵在於:在一單層二維金屬網柵陣列中，相鄰基本單元中的子圓環(11)相對位置不同，並由一個基本單元複製後按二維正交分布排列密接排布構成二維金屬網柵陣列，其中任意一個基本單元相對於其相鄰基本單元在二維平面內繞自身基本圓環(10)圓心旋轉一定角度。
7.根據權利要求6所述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，其特徵在於:同一行中的任意基本單元相對相鄰基本單元旋轉的角度相同。
8.根據權利要求1所述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，其特徵在於:基本圓環(10)與子圓環(11)均由導電性能良好的合金構成，且合金厚度大於IOOnm0
9.根據權利要求1所述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，其特徵在於:金屬網柵與光窗透明基片或襯底材料之間用鉻或者鈦材料構成的粘接層粘接。
10.根據權利要求1所述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，其特徵在於:雙層金屬網柵的交錯角度選取範圍在1°~25。，27°~35°，37°~52°，54。~88°。
11.根據權利要求1所述的雙層交錯正交相切圓環及內切子圓環陣列電磁屏蔽光窗，其特徵在於:附有雙 層金屬網柵的透明基片或襯底厚度小於5mm。
【文檔編號】H05K9/00GK103813702SQ201410052268
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月14日 優先權日:2014年2月14日
【發明者】譚久彬, 陸振剛, 林沈, 王赫巖 申請人:哈爾濱工業大學