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

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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于随机分布圆环的金属网栅结构及其设计方法
本专利技术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。
技术介绍
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，该随机网栅和本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，且外公本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆振刚，张怡蕾，卢溪，谭久彬，王赫岩，董晗，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23