一种基于纬线排布圆环的球面网栅结构及其设计方法

本发明属于光学透明电磁屏蔽领域，特别涉及一种基于纬线排布圆环的球面网栅结构及其设计方法。

背景技术：

1、透明电磁屏蔽光窗在各种仪器仪表、通讯设备、国防装备领域都具有广泛的应用，如飞机/卫星/舰船/汽车的光窗、光学仪器光窗和显示面板、电磁隔离室和保密设施光窗、通讯设备的透明元件、手机触屏等。透明电磁屏蔽光窗可具备高透光率和高波前质量，使光学图像和信号信息能够得以准确、高效传输，同时光窗能够屏蔽电磁波，防止光窗内部电磁波的泄露和外部电磁波对光窗内部的干扰。当前透明电磁屏蔽光窗的研究和应用主要在平面光窗，多种结构形式的金属网栅已被提出和应用，以在光窗表面排布多种复杂结构连接成的金属网栅作为主要方式。相比于普通平面透明电磁屏蔽光窗，球面的光窗轮廓可以获得更大的视场角，更利于提升光窗后的成像范围。球罩式电磁屏蔽光窗的应用前景十分广阔，尤其是很多工作于高温高压、高速流体运动、多角度强干扰等环境中，同时对视野范围和成像质量有所需求的设备设施。然而，当前球罩式光学透明元器件的电磁屏蔽仍然是一个技术难点，相关的研究和应用案例相对较少。已有研究中，球面基底上采用的金属网栅形式主要分为两种，第一种网栅形式以人工设计为主导，直接在球面轮廓上排布网栅结构，常见为“同心圆”、“经纬线”、“正交双纬线”等基本结构的网栅；第二种网栅通常为间接制成或随机生成的网栅结构，例如采取薄膜自然开裂的“自组装”裂纹网栅、由平面结构向球面结构做“应力拉伸”等方式加工的网栅，所生成的网栅图案具有一定随机性。在实际应用场景中，前一种类型的网栅结构通常缺乏针对球面特征的结构设计，网栅分布均匀性欠佳，导致所应用的球面矢跨比(球冠的矢高与口径比值)越大，球面中间区域的网栅密度与球面边缘区域的网栅密度差异就越明显，严重影响透光性能和电磁屏蔽性能的均匀稳定；后一种类型结构随机性较大，参数难以调控，网栅孔径一致性也难以保证，即使通过算法反推结构密度，也难以控制制造时的网栅线条厚度变化，导致断线、局部方阻变大等问题。电磁屏蔽主要以电磁反射和电磁吸收两种方式实现，通过合理可靠的球面网栅结构，球罩表面的金属网栅所组成的电磁屏蔽层，既可以实现电磁反射、电磁吸收的目标，同时也能够在光学图像信息传递方面达到更好的效果。

2、目前，球面基底网栅方面已有典型成果和专利如下：

3、专利公布号：cn1488997a“一种凹球面光刻刻划机”和《深凹球面网栅恒定曝光量激光直写控制实现》等专利和论文提出了球面基底网栅的设计制造方法，但其制造的网栅采用“纬纬线或经纬线”等结构，大矢跨比球面基底上，网栅孔径均匀性难以保证。

4、专利公布号：cn101917837a“一种具有经纬形网栅结构的电磁屏蔽共形光学窗”，网栅结构采用同心圆式设计，同样球面基底网栅孔径均匀性难以保证。

5、专利公布号：cn110931330a“一种蜂窝状球面栅网的制备工艺”，采用先在平面制造蜂窝状网栅之后，用液压机压制贴合于球面，该工艺无法避免拉伸贴合过程中线条结构的形变和断裂，导致球面不同位置网栅均匀性差异。

6、专利公布号：cn114051372a“一种整流罩凹面金属网栅的制作方法”，在凹球面刻划出方格形“经纬线”网栅，同样球面基底网栅孔径均匀性差异较大。

7、专利申请号：201911335993.7和201510906030.3专利公布号：cn106298401a“一种球面栅网成型用工装模具及球面栅网成型方法”、专利公布号cn218104063u“一种凸面透光屏蔽窗的制备工具”等发明都是先在平面制造网栅之后贴合于球面，无法避免拉伸贴合过程中，线条结构的形变和断裂，会导致球面不同位置网栅密度差异问题。

8、专利公布号：cn104837326a“具有金属网栅结构的电磁屏蔽曲面光学窗制作方法”，采用掩模液涂层干燥产生裂纹的方式形成曲面网栅，属于“自组装”类型，这种方式的裂纹是物理现象自发形成，产生网栅结构的周期、线宽等参数难以稳定控制。

9、专利公布号：cn205828664u“一种屏蔽效果好的共形球面天线阵”和专利公布号：cn205828676u“一种共形球面天线阵”的主要
技术实现要素：
是设计天线阵结构，使天线阵可以安装屏蔽罩，防止受到信号干扰，但是并未介绍屏蔽的结构，且天线屏蔽罩无需光学透明，因此与本专利所述内容不冲突。

10、综上所述，目前人工设计类的球面基底网栅，其结构和制造方法大多是基于平面网栅向球面化的改良，完全依赖于纬线、同心圆的基本形式，缺乏针对三维球面几何特征的设计，仅用弧线将位置节点连接为网栅。从顶部观察类似于方格，但侧面会随周期出现高密度区域和结构畸形的漏洞，这些方案难以满足较大矢跨比的球面基底对网栅单元分布均匀一致性的需求；其他基于随机和拉伸方案制造的网栅结构存在随机结构可控性低、拉伸引发线条断裂的情况，最终都将影响球罩式光窗的透光性能和电磁屏蔽性能的均匀稳定。

技术实现思路

1、本发明通过提出一种基于纬线排布圆环的球面网栅结构及其设计方法，依据均匀分割的纬线位置，设置圆环单元，并获得球面金属网栅。本发明为球罩式光窗提供一种高质量的透明电磁屏蔽网栅设计方法，可在多种入射角度下获得电磁屏蔽性能更稳定和光学性能更均匀的球面网栅结构。本发明中圆环单元的排布特征具有较高的规律性，因此对于原有的纬线结构和同心圆结构的球面网栅制造设备，可在硬件和运行模式改动较小的情况下，获得更高性能的球罩式透明电磁屏蔽光窗产品。

2、本发明采用的技术方案是：一种基于纬线排布圆环的球面网栅结构及其设计方法，其特征在于该球面网栅结构由位于球面上的圆环单元沿纬线分布，相邻圆环单元按相交方式连接，其设计过程包括以下步骤：步骤1：按目标球罩式光窗的表面曲率半径作一个球面，球面与过球心的任意一条直线相交得到球的两个极点，以直线为轴，在两极点之间排布纬线划分球面，使经线方向上任意两条相邻纬线的球面间距dw都相等；步骤2：分别对每一条纬线按照纬线的周长等距分割，各条纬线分割后的弧线段长度分别用ds1、ds2、ds3……表示，这些弧线段长度与它们的平均值之间误差不超过10％，将纬线上分割之后每一段弧线段的端点作为位置节点；步骤3：在位置节与球面的切平面上，以位置节点为圆环的圆心，以rc为圆环的外圆半径，排布圆环单元，圆环单元的外圆半径rc的取值范围大于弧线段长度ds1、ds2、ds3……中的最大值的二分之一，并小于最大值；步骤4：将圆环单元沿过该圆环单元对应位置节点的直径方向向球面投影，获得位于球面上的圆环单元，所有圆环单元共同构成球面圆环网栅结构，每个圆环单元与至少一个相邻的圆环单元通过相交的方式互相连接；步骤5：根据球罩式光窗的实际通光孔径尺寸，截取相应范围的球面网栅，将数据输出为设计图，该设计图可用于球罩式透明电磁屏蔽光窗的结构制造。

3、上述发明内容的技术方案中：相邻纬线之间的球面距离dw和所有纬线划分后的弧长ds1、ds2、ds3……，典型值为毫米和亚毫米量级，依据位置节点设置圆环单元的线条宽度wc为微米或亚微米量级。

4、上述发明内容的技术方案中：球面上相邻的圆环单元指的是当前圆环单元与其他圆环单元按照相互之间的球面距离排序后，距离最近的n个圆环单元，通常相交的n个圆环单元数量为1～8个。

5、上述发明内容的技术方案中：根据光窗尺寸需求截取球面网栅生成的设计图，其截取的区域可以选择球面上的任意区域。

6、上述发明内容的技术方案中：球罩式电磁屏蔽光窗的圆环网栅由导电性良好的金属、合金、金属化合物、石墨烯制造而成。

7、上述发明内容的技术方案中：圆环网栅设置于透明球罩基底的凸球面表面或凹球面表面或同时存在于凸球面表面和凹球面表面。

8、本发明的创新性和良好效果是：

9、1、本发明针对球面光窗的结构特征，先通过经线方向上等距划分的纬线和纬线方向上等距划分确定的位置节点，再将圆环单元作为最基本的单元图案排布在每一个位置节点上。该划分规则可减小圆环单元之间距离的公差，使球面网栅结构的排布位置更加趋近于一致，圆环形的基本单元可以使网栅高级次衍射分布均化，实现低旁瓣的光学衍射特性，有利于成像。将两者相结合，一方面可以使光窗在可视角度的范围内具有相对稳定的透光性，减少成像过程中不同区域存在的渐晕和亮度、清晰度差异问题；另一方面可以避免传统球面网栅结构方案应用于大矢跨比球罩式光窗时，光窗边缘位置出现极端尺寸的孔径，从而导致该部位电磁波漏波，整体球罩式光窗电磁屏蔽效果被破坏的问题。

10、2、本发明中圆环单元的位置关系存在较高规律性，可以极大降低加工过程的复杂性，使原有的“经纬线”类球面网栅加工设备可以在较小的升级改造后，加工性能更加优越的球面网栅。

11、综上，本发明提出一种以球面基底为基础，将圆环形单元结构按照等距划分的纬线方向排布，相互连接所形成的网栅结构。用该设计方法制造的球罩式电磁屏蔽光窗，在多入射角度下电磁屏蔽性能与光学透明性能将具备更高的稳定性。此外，圆环单元的纬线排布方式对加工设备的运行逻辑改动较小，易于升级改造。