1.本发明涉及制导窗技术领域，特别涉及一种曲面制导窗增透微结构的设计方法。
背景技术：2.材料的透射率是光学中的一种重要的材料属性，近年来，随着红外光电探测技术的不断发展，也对红外窗口的红外信号透过率提出了更高的要求。在红外视窗上，增透微结构能提高视窗透过率，提高视窗捕捉外界信息的能力，也能提高红外输出效率。现有技术中，红外发射窗口常常会采用曲面造型，但对于通过在材料表面加工微结构以提高材料透射率的研究当中，还往往停留在对平面微结构的研究阶段。对于曲面造型的红外发射窗口，限于计算内存资源等的限制，难以顺利、高效地对大面积的曲面进行仿真。另外，通常在曲面仿真中也往往需要对材料与介质的交界网格进行共形处理，又进一步加大了工作量。因此，大面积曲面造型的红外发射窗口的增透微结构设计较为困难。
3.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
技术实现要素：4.本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种能够克服计算内存资源等的限制、完成大面积曲面造型红外发射窗口的增透微结构设计的方法。
5.为了达到上述目的，本发明提供了一种曲面制导窗增透微结构的设计方法,包括如下步骤：
6.步骤一、将制导窗曲面建模，中心角按δθ等分，在仿真软件中建立出不同角度下的平面模型，根据初设的微结构仿真获得各个平面透射率；
7.步骤二、导出所得到的一组平面透射率，并计算得出所对应的曲面透射率；
8.步骤三、进一步缩小角度间隔δθ，重复步骤一和步骤二得到下一组曲面透射率；
9.步骤四、对比前后两组曲面透射率数据，判断其误差是否小于预设值ε，若不满足，重复步骤一至步骤三，直到前后两组曲面透射率之间的误差缩小至小于预设值ε，确认制导窗透射率；
10.步骤五、当制导窗透射率满足制导窗设计要求时确认微结构的设计方案，不满足则重新设计微结构并返回步骤一。
11.进一步地，步骤一中的微结构采用垂直于曲面加工的方式或沿同一方向加工的方式。
12.进一步地，当微结构采用垂直于曲面加工的方式时，步骤二中曲面透射率通过如下公式计算：
[0013][0014]
其中，t1为在当微结构垂直于曲面加工时，在等效平面中材料的透射率；α为曲面
中心角的一半；θ为直射光线与曲面接触的交点所在半径与曲面底部所成的角；
[0015]
当微结构采用沿同一方向加工的方式时，步骤二中曲面透射率通过如下公式计算：
[0016][0017]
其中，ti为当微结构沿同一方向加工在曲面上时，在不同角度下等效平面中材料的透射率，δθ为每组中的角度间隔。
[0018]
进一步地，步骤五中重新设计微结构时调整微结构的形状、尺寸或加工方向等。
[0019]
进一步地，仿真软件为fdtd软件。
[0020]
进一步地，步骤四中误差的预设值ε为0.00002。
[0021]
本发明的上述方案有如下的有益效果：
[0022]
本发明提供的曲面制导窗增透微结构的设计方法，利用了微积分的思想，结合时域有限差分法，不同于直接仿真大面积曲面透射率的方法，在论证制导窗透射率的同时有效减少了仿真计算所需要的计算资源，且不需要对边界网格进行共形处理，提高了大面积曲面制导窗增透微结构设计的可行性及效率，有助于对大面积曲面制导窗增透微结构研究的推动；
[0023]
本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0024]
图1为本发明的曲面制导窗及微结构三维示意图(微结构垂直于曲面)；
[0025]
图2为本发明的曲面制导窗及微结构二维示意图(微结构垂直于曲面)；
[0026]
图3为本发明的曲面制导窗及微结构三维示意图(微结构同一方向)；
[0027]
图4为本发明的曲面制导窗及微结构二维示意图(微结构同一方向)。
具体实施方式
[0028]
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0029]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0030]
在本发明的描述中，为了简单说明，方法或规则作为一系列操作来描绘或描述，其目的既不是对实验操作进行穷举，也不是对实验操作的次序加以限制。例如，实验操作可以各种次序进行和/或同时进行，并包括其他再次没有描述的实验操作。此外，所述的步骤不都是在此描述的方法和算法所必备的。本领域技术人员可以认识和理解，这些方法和算法
可通过状态图或项目表示为一系列不相关的状态。
[0031]
实施例1：
[0032]
对于曲面制导窗来说，按照不同的微结构加工方式，对应的由平面透射率计算曲面透射率的方法不同。
[0033]
如图1所示，当微结构垂直于曲面加工时，曲面透射率由下式计算：
[0034][0035]
其中，t1为在当微结构垂直于曲面加工时，在等效平面中材料的透射率，由于微结构垂直于曲面，在分离的每一个平面上透射率应该保持一致；α为曲面中心角的一半；θ为直射光线与曲面接触的交点所在半径与曲面底部所成的角。
[0036]
同时如图2所示，当微结构垂直曲面且光垂直入射时：假设光线入射前光通量为i0，入射之后变为i1，则透射率
[0037][0038]
通过fdtd仿真得到有增透微结构的平面材料的透射率，假设为t1。若将曲面分解成无限多平面，便可将此情况看作不同入射角的光线对平面入射，由于微结构垂直于曲面，在分离的每一个平面上透射率应该保持一致，即t1。
[0039]
对曲面入射的光线，可在局部看作对平面以θ角入射的光线。半球的表面积s＝2πr2，假设该微元的弧度为dl，由于dl＝rdθ，光线入射范围的环状表面积微元
[0040]
dsi＝2πr cosθdl
[0041]
＝2πr
2 cosθdθ
[0042]
则该微元占总面积的比例为
[0043][0044]
也即该面积微元上光通量ii对总光通量的比值。将i0分为垂直分量和水平分量，则垂直分量可表示为i0sinθ。设曲面中心角的一半为α，所以在该面积微元上透过的光线强度为
[0045]ii
＝t1i
0 sinθcosθdθ
[0046]
对其积分，可以得到总的透过光通量
[0047][0048]
因此曲面透射率
[0049][0050]
对i0进行归一化处理并约去，则
[0051][0052]
如图3所示，对于微结构沿同一方向加工在曲面上的状况，此时曲面透射率
[0053][0054]
ti为当微结构沿同一方向加工在曲面上时，在不同角度下等效平面上材料的透射率，δθ为每组中的角度间隔。
[0055]
由于微结构是沿着同一方向加工出的而非垂直于曲面，导致在将曲面分离成多个平面时，微结构中轴线与平面不再垂直，而是成θ角，如图4所示。
[0056]
此时由于微结构角度的变化，势必导致分离出的不同平面上的透射率不同。设不同平面上的透射率为ti，i∈(0，+∞)。依据前述分析，此时透射率公式应改写成
[0057][0058]
为了探究分离出的每一平面上的透射率，通过不断缩小分离间隔δθ，增加平面的分离数量来逼近真实的曲面。直到在下一次分离的平面透射率与上一次分离的平面透射率之间差值小于ε时停止继续分离。得到此时每一个平面上的透射率参数，代入上式得到总的透射率
[0059][0060]
因此，本实施例提供的曲面制导窗增透微结构的设计方法如下：
[0061]
步骤一、将制导窗曲面建模，中心角按δθ等分，在fdtd中通过sweep建立出不同角度下的平面模型，根据初设的微结构仿真其透射率。
[0062]
步骤二、导出所得到的一组透射率，并根据对应计算式得出所对应的曲面透射率。
[0063]
步骤三、进一步缩小角度间隔，重复步骤一和步骤二得到下一组透射率，这一步是为了用更多的平面来模拟逼近曲面。
[0064]
步骤四、对比前后两组透射率数据，判断其误差是否满足所需要求，若不满足，重复步骤一至步骤三，直到前后两组透射率之间的误差缩小到可接受的范围，确认制导窗曲面的透射率。
[0065]
步骤五、当该透射率满足制导窗设计要求时确认微结构的设计方案，不满足则重新设计微结构并返回步骤一。
[0066]
其中，重新设计微结构时可调整微结构的形状、尺寸或加工方向等。
[0067]
本实施例提供的曲面制导窗增透微结构设计方法利用了微积分的思想，结合时域有限差分法，在论证制导窗透射率的同时有效减少了仿真计算所需要的计算资源，且不需要对边界网格进行共形处理，提高了大面积曲面制导窗增透微结构设计的可行性及效率，有助于对大面积曲面制导窗增透微结构研究的推动。
[0068]
实施例2：
[0069]
本发明的实施例2提供了实施例1的具体设计案例，按照微结构在制导窗曲面上沿同一方向加工的情况，建立了圆柱孔方形阵列结构，如图3所示。其中，微结构周期为3微米，半径1.15微米，深度1微米；在0至90度范围内对制导窗进行仿真计算，具体包括如下步骤：
[0070]
步骤一、按δθ将制导窗曲面的中心角等分，将其离散成一系列的等效平面，记为第一组。在fdtd中建立这一组平面材料的模型，对其透射率进行仿真计算。通过这一步骤，将连续曲面转化成多个离散的等效平面。
[0071]
步骤二、将仿真出的这一组透射率代入对应的计算式，将这一组平面的透射率计算转化为曲面的等效透射率。
[0072]
步骤三、进一步缩小角度间隔δθ，重新建立一组平面模型进行透射率的仿真计算，并通过对应计算式转化为曲面的等效透射率。
[0073]
步骤四、比较前后两组所计算的曲面透射率，计算二者间的差值，判断是否在误差允许范围内。
[0074]
步骤五、若误差过大，重复前述步骤，直到两组之间差值缩小到可接受的范围，此时可认为以该角度间隔等分中心角时能得到较准确、可信的曲面透射率数值。
[0075]
步骤六、判断该曲面制导窗的透射率数值是否满足设计要求。
[0076]
下表为该曲面制导窗的透射率计算结果：
[0077]
表1：透射率计算结果
[0078][0079]
表1中，在50等分时该曲面制导窗的透射率计算值为0.463901502，55等分时为0.463925887，60等分时为0.463944363，此时两者间误差ε已经小于0.00002，已经为可接受的范围。因此可认为以60等分的角度间隔等分中心角时能得到较可信的曲面制导窗透射率数值，且该透射率数值符合设计要求，因此初步设计的曲面制导窗增透微结构合格。
[0080]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
技术特征：1.一种曲面制导窗增透微结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、将制导窗曲面建模，中心角按δθ等分，在仿真软件中建立出不同角度下的平面模型，根据初设的微结构仿真获得各个平面透射率；步骤二、导出所得到的一组平面透射率，并计算得出所对应的曲面透射率；步骤三、进一步缩小角度间隔δθ，重复步骤一和步骤二得到下一组曲面透射率；步骤四、对比前后两组曲面透射率数据，判断其误差是否小于预设值ε，若不满足，重复步骤一至步骤三，直到前后两组曲面透射率之间的误差缩小至小于预设值ε，确认制导窗透射率；步骤五、当制导窗透射率满足制导窗设计要求时确认微结构的设计方案，不满足则重新设计微结构并返回步骤一。2.根据权利要求1所述的一种曲面制导窗增透微结构的设计方法，其特征在于，步骤一中的微结构采用垂直于曲面加工的方式或沿同一方向加工的方式。3.根据权利要求2所述的一种曲面制导窗增透微结构的设计方法，其特征在于，当微结构采用垂直于曲面加工的方式时，步骤二中曲面透射率通过如下公式计算：其中，t1为在当微结构垂直于曲面加工时，在等效平面中材料的透射率；α为曲面中心角的一半；θ为直射光线与曲面接触的交点所在半径与曲面底部所成的角；当微结构采用沿同一方向加工的方式时，步骤二中曲面透射率通过如下公式计算：其中，t
i
为当微结构沿同一方向加工在曲面上时，在不同角度下等效平面中材料的透射率，δθ为每组中的角度间隔。4.根据权利要求1所述的一种曲面制导窗增透微结构的设计方法，其特征在于，步骤五中重新设计微结构时调整微结构的形状、尺寸或加工方向。5.根据权利要求1所述的一种曲面制导窗增透微结构的设计方法，其特征在于，仿真软件为fdtd软件。6.根据权利要求1所述的一种曲面制导窗增透微结构的设计方法，其特征在于，步骤四中误差的预设值ε为0.00002。
技术总结本发明提供了一种曲面制导窗增透微结构的设计方法，包括：步骤一、将制导窗曲面建模，中心角等分，仿真获得各个平面透射率；步骤二、导出该组平面透射率，并计算得出对应曲面透射率；步骤三、进一步缩小角度间隔，重复步骤一和步骤二得到下一组曲面透射率；步骤四、对比前后两组曲面透射率数据，判断其误差是否小于预设值，直到前后两组曲面透射率之间的误差缩小至小于预设值，确认制导窗透射率；步骤五、满足制导窗设计要求时确认微结构的设计方案。本发明在论证制导窗透射率的同时有效减少了仿真计算所需要的计算资源，且不需要对边界网格进行共形处理，提高了大面积曲面制导窗增透微结构设计的可行性及效率。构设计的可行性及效率。构设计的可行性及效率。
技术研发人员：王聪 曾微笑 段吉安
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2022.03.22
技术公布日：2022/7/5
