CN114326316A - 一种光束透过率调节装置和光学照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光束透过率调节装置和光学照明系统。该光束透过率调节装置包括驱动单元和透过率调节单元，透过率调节单元包括至少一个旋转叶片和至少一个旋转轴；旋转叶片包括旋转中心区和圆环区，圆环区包括透过率调节区；透过率调节区的多个透光孔的面积占比沿顺时针或逆时针方向越来越小；至少一个旋转叶片与至少一个旋转轴一一对应同轴固定连接，旋转轴设置在光束的一侧且与光束的传播方向平行；驱动单元驱动旋转轴并带动旋转叶片旋转，以使光束从旋转叶片的透过率调节区中的不同区域透射。本发明实施例采用机械方式可实现透过率全档位连续调节，能够对光学照明系统中光源功率进行精准调节，避免多光源系统光源功率差异影响照明系统。

Description

一种光束透过率调节装置和光学照明系统

技术领域

本发明实施例涉及光刻技术领域，尤其涉及一种光束透过率调节装置和光学照明系统。

背景技术

对于双灯或多灯形式的照明系统，不同光源在同一功率下的光功率存在一定差异(2％左右)。在没有透过率调节装置的情况下，当光功率存在偏差时，需通过调节光源功率的方式使各照明分支光功率一致。此方式成本高昂，操作复杂，且时间较久。因此，通常在照明系统增加透过率调节装置，对照明系统发出的光线进行调整，获取更加均匀的光照条件。

现有的透过率调节装置一般采用光学式补偿器或机械式叶片的结构。光学式补偿器沿光轴方向占用的空间较大，结构复杂，成本较高；而机械旋转叶片式的透过率调节装置，传统上为多档位叶片结构。该装置叶片由圆孔组成，由于圆孔和圆孔间为挡光区域，其透过率范围受到限制，每个档位的照度为固定值，一般仅能调节25％、50％、75％等几个照度效果。由此可知，现有的机械旋转叶片式的透过率调节装置，结构相对简单，但是透过率调节范围受限，各档位的透过率固定，不能够实现透过率的连续调节，也不能够有效解决照明系统中各光源的光功率偏差问题。

发明内容

本发明提供一种光束透过率调节装置和光学照明系统，以实现透过率的连续调节，且保证透射光束的光斑均匀性。

第一方面，本发明实施例提供了一种光束透过率调节装置，包括驱动单元和透过率调节单元，所述透过率调节单元设置在光束的传播路径上；

所述透过率调节单元包括至少一个旋转叶片和至少一个旋转轴；所述旋转叶片包括旋转中心区和围绕所述旋转中心区的圆环区，所述圆环区包括透过率调节区；

所述透过率调节区包括多个透光孔；所述多个透光孔的面积占比沿顺时针或逆时针方向越来越小；所述旋转叶片与光束的传播方向垂直，所述至少一个旋转叶片依次排布在光束的传播路径上，且光束经所述旋转叶片的所述圆环区透射；

所述至少一个旋转叶片与所述至少一个旋转轴一一对应同轴固定连接，所述旋转轴设置在光束的一侧且与光束的传播方向平行；

所述驱动单元驱动所述旋转轴并带动所述旋转叶片旋转，以使光束从所述旋转叶片的所述透过率调节区中的不同区域透射。

可选地，所述透过率调节单元包括两个所述旋转叶片和两个所述旋转轴，两个所述旋转叶片的图案呈轴对称；

所述透过率调节单元还包括传动机构，所述传动机构分别与两个所述旋转轴传动连接；所述驱动单元驱动一所述旋转轴旋转，并通过所述传动机构传动另一所述旋转轴旋转，以使两个所述旋转叶片相互逆向旋转。

可选地，所述透过率调节单元包括第一旋转叶片、第二旋转叶片、第一旋转轴和第二旋转轴，所述第一旋转叶片和所述第二旋转叶片的图案呈轴对称；

所述传动机构包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮，所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合，所述第二齿轮与所述第三齿轮啮合，所述第三齿轮与所述第四齿轮啮合；所述第一齿轮、所述第二齿轮、所述第三齿轮和所述第四齿轮的转动轴均相互平行，且所述第一齿轮和所述第四齿轮同轴；

所述第一旋转轴分别与所述第一旋转叶片和所述第一齿轮同轴固定连接，所述第二旋转轴分别与所述第二旋转叶片和所述第四齿轮同轴固定连接；所述第一旋转轴的一端还与所述驱动单元传动连接；

所述驱动单元驱动所述第一旋转轴转动，并带动所述第一齿轮、所述第一旋转叶片、所述第二齿轮、所述第三齿轮、所述第四齿轮、所述第二旋转轴和所述第二旋转叶片旋转。

可选地，所述透过率调节单元包括第三旋转叶片、第四旋转叶片、第三旋转轴和第四旋转轴，所述第三旋转叶片和所述第四旋转叶片的图案呈轴对称；

所述传动机构包括第五齿轮、第六齿轮和第七齿轮，所述第六齿轮分别与所述第五齿轮和所述第七齿轮啮合；所述第五齿轮、所述第六齿轮和所述第七齿轮的转动轴均相互平行；

所述第三旋转轴的两端分别与所述第三旋转叶片和所述第三齿轮同轴固定连接，所述第四旋转轴的两端分别与所述第四旋转叶片和所述第七齿轮同轴固定连接；所述第三旋转轴的一端还与所述驱动单元传动连接；

所述驱动单元驱动所述第三旋转轴转动，并带动所述第三旋转叶片、所述第六齿轮、所述第七齿轮、所述第四旋转轴和所述第四旋转叶片旋转。

可选地，所述多个透光孔组成沿径向依次包围的多个透光孔环，每个所述透光孔环中包括沿圆周排布的多个透光孔；以顺时针方向线或逆时针方向线为路径，以同一条半径线为初始线和终止线，每个所述透光孔环中的多个所述透光孔的面积依次变小。

可选地，所述透光孔的图形为多边形、圆形、椭圆形和扇形中的任意一种。

可选地，所述多个透光孔由多个分隔栏分隔形成，且相邻的所述透光孔共用分隔栏。

可选地，所述圆环区包括内边缘线和围绕所述内边缘线的外边缘线，所述分隔栏为径向分隔栏，所述径向分隔栏的两端分别与所述内边缘线和所述外边缘线连接。

可选地，所述透过率调节区还包括多个周向分隔栏；所述周向分隔栏的两端分别连接相邻的两条所述径向分隔栏，且沿顺时针或逆时针方向，所述周向分隔栏的数量依次增加。

可选地，任意相邻的两条所述径向分隔栏的夹角相同；

沿顺时针或逆时针方向，所述周向分隔栏的数量呈等比数列或等差数列增加。

可选地，所述径向分隔栏与所述内边缘线连接的节点为内连接点，所述径向分隔栏与所述外边缘线连接的节点为外连接点；

相邻的两个所述内连接点的间距沿顺时针或逆时针方向依次减小，和/或，相邻的两个所述外连接点的间距沿顺时针或逆时针方向依次减小。

可选地，所述径向分隔栏为直线或曲线。

可选地，所述圆环区包括内边缘线和围绕所述内边缘线的外边缘线，所述分隔栏的一端与所述内边缘线连接；所述多个分隔栏沿顺时针或逆时针方向依次包括起始分隔栏、多个弯曲分隔栏和多个螺旋分隔栏，所述弯曲分隔栏的两端分别与所述内边缘线和所述外边缘线连接，所述螺旋分隔栏的两端分别与所述内边缘线和所述起始分隔栏连接。

可选地，所述圆环区还包括镂空区，所述镂空区与所述透过率调节区首尾相互拼接形成所述圆环区。

可选地，所述旋转叶片采用3D打印工艺或光刻工艺制备形成。

可选地，所述驱动单元包括电机、联轴器和解码器；

所述电机通过所述联轴器与所述旋转轴传动连接，用于驱动所述旋转轴旋转；所述解码器环套在所述旋转轴上，用于获取旋转轴的旋转角度。

可选地，所述光束透过率调节装置还包括外框，所述外框相对的两侧分别设置有通光孔以透过光束；所述透过率调节单元设置在所述外框内部。

可选地，所述光束透过率调节装置还包括散热单元，所述散热单元设置在所述外框的外壁上。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光学照明系统，包括如第一方面任一项所述的光束透过率调节装置，还包括光源系统、照明系统、投影物镜；

所述光束透过率调节装置、所述照明系统和所述投影物镜依次设置在所述光源系统出射的光束的光路上。

本发明实施例提供的光束透过率调节装置和光学照明系统，通过设置驱动单元和透过率调节单元，并且将透过率调节单元设置在光束的传播路径上；透过率调节单元包括至少一个旋转叶片和至少一个旋转轴；旋转叶片包括旋转中心区和围绕旋转中心区的圆环区，圆环区包括透过率调节区；透过率调节区包括多个透光孔；且设置多个透光孔的面积占比沿顺时针或逆时针方向越来越小；旋转叶片与光束的传播方向垂直，至少一个旋转叶片依次排布在光束的传播路径上，且光束经旋转叶片的圆环区透射；至少一个旋转叶片与至少一个旋转轴一一对应同轴固定连接，旋转轴设置在光束的一侧且与光束的传播方向平行；驱动单元驱动旋转轴并带动旋转叶片旋转，以使光束从旋转叶片的镂空区或透过率调节区中的不同区域透射，以此实现不同的光束透过率。本发明实施例采用机械方式可实现透过率全档位连续调节，能够对光学照明系统中光源的功率进行精准调节，避免多光源系统光源功率差异影响照明系统。与现有的圆孔式透过率调节方式相比，本发明实施例可以保证光瞳透过率在等距的两点相对偏差一致，最大偏差最小，综合各个曝光档位，均能保证静态均匀性在2％以内、积分均匀性在1.5％以内、光瞳均匀性在5％以内三个技术指标。此外，本实施例提供的光束透过率调节装置，能够保证透过率随旋转角度的变化而稳定变化，也即能够保证透过率连续调节的同时，还能保证透过率变化趋势稳定，方便根据旋转角度精确调节透过率。

附图说明

图1是现有的光束透过率调节装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种光束透过率调节装置的结构示意图；

图3是图2所示光束透过率调节装置的俯视图；

图4是图2所示光束透过率调节装置的旋转叶片示意图；

图5-图7是本发明实施例提供的一类旋转叶片的结构示意图；

图8-图13是本发明实施例提供的另一类旋转叶片的结构示意图；

图14是本发明实施例提供的又一类旋转叶片的结构示意图；

图15和图16是本发明实施例提供的又一类旋转叶片的结构示意图；

图17是图2所示的光束透过率调节装置光斑随旋转角度变化的光瞳照明图案；

图18是图2所示光束透过率调节装置的光学仿真光瞳照明图案效果模拟图；

图19是图4、图10和图11所示的光束透过率调节装置透过率和旋转角度模拟关系曲线；

图20是图2所示的光束透过率调节装置透过率和旋转角度测试关系曲线；

图21是图2所示光束透过率调节装置透过率导数和旋转角度关系曲线；

图22是图2所示光束透过率调节装置高透段透过率和旋转角度关系曲线和误差；

图23是图2所示光束透过率调节装置低透段透过率和旋转角度关系曲线和误差；

图24是图2所示光束透过率调节装置的照明均匀性评估；

图25是本发明实施例提供的又一种光束透过率调节装置的结构示意图；

图26是图25所示光束透过率调节装置的俯视图；

图27是图25所示光束透过率调节装置的光束透过示意图；

图28是图25所示光束透过率调节装置的齿轮结构示意图；

图29是图25所示的光束透过率调节装置光斑随旋转角度变化的光瞳照明图案；

图30是图25所示的光束透过率调节装置透过率和旋转角度关系曲线；

图31是图25所示光束透过率调节装置透过率导数和旋转角度关系曲线；

图32是图25所示光束透过率调节装置高透段透过率和旋转角度关系曲线和误差；

图33是图25所示光束透过率调节装置低透段透过率和旋转角度关系曲线和误差；

图34是图25所示光束透过率调节装置的照明均匀性评估；

图35是本发明实施例提供的又一种光束透过率调节装置的结构示意图；

图36是图35所示光束透过率调节装置的俯视图；

图37是图35所示光束透过率调节装置的光束透过示意图；

图38是本发明实施例提供的又一种光束透过率调节装置的结构示意图；

图39是图38所示光束透过调节装置的侧视图；

图40是图35所示的光束透过率调节装置光斑随旋转角度变化的光瞳照明图案；

图41是图35所示的光束透过率调节装置透过率和旋转角度关系曲线；

图42是图35所示光束透过率调节装置透过率导数和旋转角度关系曲线；

图43是图35所示光束透过率调节装置高透段透过率和旋转角度关系曲线和误差；

图44是图35所示光束透过率调节装置低透段透过率和旋转角度关系曲线和误差；

图45是图35所示光束透过率调节装置的照明均匀性评估；

图46和图47是本发明实施例提供的两种光学照明系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

如背景技术部分所述，图1是现有的光束透过率调节装置的结构示意图，参考图1，现有的光束透过率调节装置中，光束透过率调节结构主要由旋转叶片10组成，旋转叶片10上设置有多个圆形透光区域100，且各个圆形透光区域100由均匀分布且密度不同的透光孔组成，显然，当旋转叶片10旋转至其中一个档位，即某一圆形透光区域100旋转至光束路径上时，该圆形透光区域100中透光孔的设置密度即决定了该光束的透过率。通过合理设置透光孔的排布密度，可将旋转叶片10设置为多个透过率档位，例如25％、50％、75％和100％。显然，该种旋转叶片组成的光束透过率调节装置不能实现除档位设置外的其他透过率，也不能实现透过率的连续调节，例如不能实现20％-100％范围内的任意透过率，显然，该旋转叶片式的透光率调节装置透过率调节范围受限，存在透过率档位固定的问题。

基于此，本发明实施例提供一种光束透过率调节装置。图2是本发明实施例提供的一种光束透过率调节装置的结构示意图，图3是图2所示光束透过率调节装置的俯视图，图4是图2所示光束透过率调节装置的旋转叶片示意图，参考图2-图4，该光束透过率调节装置包括驱动单元30和透过率调节单元20，透过率调节单元20设置在光束的传播路径上；透过率调节单元20包括至少一个旋转叶片21和至少一个旋转轴22；旋转叶片21包括旋转中心区211和围绕旋转中心区的圆环区212，圆环区212包括透过率调节区213；

透过率调节区213包括多个透光孔210；多个透光孔210的面积占比沿顺时针或逆时针方向越来越小；旋转叶片21与光束的传播方向垂直，至少一个旋转叶片21依次排布在光束的传播路径上，且光束经旋转叶片21的圆环区212透射；至少一个旋转叶片21与至少一个旋转轴22一一对应同轴固定连接，旋转轴22设置在光束的一侧且与光束的传播方向平行；驱动单元30驱动旋转轴22并带动旋转叶片21旋转，以使光束从旋转叶片21的透过率调节区213中的不同区域透射。

其中，旋转叶片21的旋转中心区211负责连接旋转轴22，由旋转轴22带动沿顺时针或逆时针的方向旋转，而圆环区212则是旋转叶片21在旋转过程中光束会经过的区域。透光孔210是设置在旋转叶片21的透过率调节区213的镂空的通光孔，在光束的截面范围内，透光孔210的数量和面积即决定了光束的总通光量，也即决定了光束的透过率。而设置透过率调节区213中的多个透光孔210的面积占比沿顺时针或逆时针的方向越来越小，实质是指透光孔210的设置数量越来越少，和/或，单个透光孔210的面积越来越小。当然，由于圆环区212实质为圆环形状，透光孔210的面积越来越小的设置规律会存在一个初始的径向线和末尾的径向线，或者，该初始径向线和末尾径向线重合。

当旋转叶片21绕旋转轴22旋转时，光束透过该透过率调节区213形成光斑，且光斑的图案与对应的透过率调节区213的透光孔210的形状一致。显然，由于透光孔210沿顺时针或逆时针方向面积占比越来越小，也即光束透过的面积越来越小，光束在经过该旋转叶片21时，根据旋转叶片21上的透光孔210的面积和排布密度等，可实现一定的光束透过率。并且，由于旋转叶片21可旋转，故可根据旋转叶片21的旋转角度，对光束的透过率实现连续的调节。

需要说明的是，旋转叶片21的旋转角度与光束透过率值，需要进行提前标定。具体可在该透过率调节装置的光束输出端设置透过率传感器，以测量不同旋转角度下的光束强度，从而实现光束光强和旋转角度之间函数关系的标定，在实际进行光束透过率调节时，能够通过旋转角度精确调节实现目标的光束透过率。

本发明实施例提供的光束透过率调节装置，通过设置驱动单元和透过率调节单元，并且将透过率调节单元设置在光束的传播路径上；透过率调节单元包括至少一个旋转叶片和至少一个旋转轴；旋转叶片包括旋转中心区和围绕旋转中心区的圆环区，圆环区包括透过率调节区；透过率调节区包括多个透光孔；且设置多个透光孔的面积占比沿顺时针或逆时针方向越来越小；旋转叶片与光束的传播方向垂直，至少一个旋转叶片依次排布在光束的传播路径上，且光束经旋转叶片的圆环区透射；至少一个旋转叶片与至少一个旋转轴一一对应同轴固定连接，旋转轴设置在光束的一侧且与光束的传播方向平行；驱动单元驱动旋转轴并带动旋转叶片旋转，以使光束从旋转叶片的镂空区或透过率调节区中的不同区域透射，以此实现不同的光束透过率。本发明实施例采用机械方式可实现透过率全档位连续调节，能够对光学照明系统中光源的功率进行精准调节，避免多光源系统光源功率差异影响照明系统。与现有的圆孔式透过率调节方式相比，本发明实施例可以保证光瞳透过率在等距的两点相对偏差一致，最大偏差最小，综合各个曝光档位，均能保证静态均匀性在2％以内、积分均匀性在1.5％以内、光瞳均匀性在5％以内三个技术指标。此外，本实施例提供的光束透过率调节装置，能够保证透过率随旋转角度的变化而稳定变化，也即能够保证透过率连续调节的同时，还能保证透过率变化趋势稳定，方便根据旋转角度精确调节透过率。

上述实施例中，旋转叶片上透光孔的结构直接决定了光束的透过率范围和数值，也决定了旋转角度和透过率调节的具体方式，因此，针对旋转叶片的具体结构，本发明实施例提供了多种结构设计方式。图5-图7是本发明实施例提供的一类旋转叶片的结构示意图，参考图5-图7，可选地，该旋转叶片中，可设置多个透光孔210组成沿径向依次包围的多个透光孔环2100，每个透光孔环2100包括沿圆周排布的多个透光孔210；以顺时针方向线或逆时针方向线为路径，以同一条径向线为初始线和终止线，每个透光孔环中的多个透光孔210的面积依次变小。其中，透光孔210的图形可选设置为三角形、正方形等多边形，或者也可设置为圆形、椭圆形以及扇形等。需要说明的是，每个透光孔环2100中的透光孔210的排布数量可保持一致，也可根据面积设置数量不等，从而进行合理密排，保证透过率的缓慢变化。

图8-图13是本发明实施例提供的另一类旋转叶片的结构示意图，首先，参考图4、图8-图13，可选地，圆环区212还包括镂空区214，镂空区214与透过率调节区213首尾相互拼接形成圆环区。其中，镂空区214的面积大于光束横截面面积，即当旋转叶片21旋转光束落于该镂空区214时，则光束可保证100％透过，即实现100％的光束透过率，从而能够保证全档位的透过率调节。

对于透过率调节区213的透光孔210结构，具体地，该旋转叶片中可设置多个透光孔210由多个分隔栏215分隔形成，且相邻的透光孔210共用分隔栏215。参考图8和图9，可设置圆环区212包括内边缘线2121和围绕内边缘线2121的外边缘线2122，分隔栏215为径向分隔栏2151，径向分隔栏2151的两端分别与内边缘线2121和外边缘线2122连接。其中，以图8所示，径向分隔栏2151可设置为直线，以图9所示，径向分隔栏2151也可设置为曲线。

此外，参考图4、图10和图11，可选地，透过率调节区213还可设置包括多个周向分隔栏2152；周向分隔栏2152的两端分别连接相邻的两条径向分隔栏2151，且沿顺时针或逆时针方向，周向分隔栏2152的数量依次增加。具体地，以图4为例，可选设置任一相邻的两条径向分隔栏2151的夹角相同；沿顺时针或逆时针方向，周向分隔栏2152的数量呈等差数列增加。当然，本领域技术人员也可根据实际需求设置周向分隔栏2152的数量呈等比数列增加。另外，参考图10，周向分隔栏2152的数量变化可设置为0、0、0、0、0、1、1、1、1、2、2、2、3、4、5、6、7、8……的数列分布，参考图11，周向分隔栏2152的数量变化可设置为1、1、1、1、1、3、3、3、5、5、5、5、5……的数列分布，由此，在旋转角度和光束透过率的函数关系曲线上，其变化趋势能够形成补偿指数的效果，使光束透过率随旋转角度的增加而保证稳步降低。

继续参考图9、图12和图13，当以径向分隔栏2151分割形成透光孔210时，其径向分隔栏也可进行合理设计，以保证透过的光束的均匀性。具体地，令径向分隔栏2151与内边缘线2121连接的节点为内连接点，径向分隔栏2151与外边缘线2122连接的节点为外连接点；可设置相邻的两个内连接点的间距沿顺时针或逆时针方向依次减小，和/或，相邻的两个外连接点的间距沿顺时针或逆时针方向依次减小。此时，由相邻的两个径向分隔栏2151以及内边缘线2121和外边缘线2122构成的透光孔210的面积会沿顺时针或逆时针的方向依次变小，而且能够保证透光孔透光的均匀性，使光束透过后能量分布均匀。另外，由图9、图12和图13所示的旋转叶片所示，其中的径向分隔栏2151的曲率半径也可进行合理地设计，以期可以补偿光束的均匀性，此处同样不做限制。

图14是本发明实施例提供的又一类旋转叶片的结构示意图，参考图14，可选地，圆环区212包括内边缘线2121和围绕内边缘线2121的外边缘线2122，分隔栏215的一端与内边缘线2121连接；多个分隔栏215沿顺时针或逆时针方向依次包括起始分隔栏2150、多个弯曲分隔栏2153和多个螺旋分隔栏2154，弯曲分隔栏2153的两端分别与内边缘线2121和外边缘线2122连接，螺旋分隔栏2154的两端分别与内边缘线2121和起始分隔栏2150连接。

图15和图16是本发明实施例提供的又一类旋转叶片的结构示意图，参考图15和图16，该旋转叶片中设置包括有多个密排的透光孔210，而且该密排的透光孔210的形状呈不规则的多边形形状，且均由多个分隔栏215分隔形成，相邻的透光孔210共用分隔栏215。该透光孔210同样沿顺时针或逆时针方向，存在面积占比越来越小的特性，以此，通过调节旋转叶片的旋转角度，即可同样实现对光束透过率的连续调节。而且由于透光孔210呈不规则多边形形状，其能够改善光束透过的均匀性，保证光斑中能量的均衡。

对于旋转叶片的具体制造工艺，可选地，旋转叶片可采用3D打印工艺或光刻工艺制备形成。以3D打印工艺为例，旋转叶片可由铝、不锈钢等金属材质或良好反射性能的材料所制。通过3D打印工艺制造，3D打印时的基板壁厚为0.1-10mm左右。工艺流程具体包括如下主要步骤：3D打印成型、线切割切片、喷砂处理、超声波清洗，外层表面进行镀膜或镀金属处理。3D打印工艺可以方便打印形成图形较为复杂的透光孔和分隔栏，大大降低旋转叶片的制造难度和制造成本。而对于光刻工艺来说，旋转叶片还可以采用刻蚀制造透光孔的方法，旋转叶片采用电子束或等离子束在玻璃或石英等高透过率的基板上进行刻蚀或曝光制造，玻璃或石英等基板的壁厚0.1-10mm左右。光刻工艺制造旋转叶片，其制造工艺相对成熟，可以保证实现尺寸更为精确的栅格图形，从而能够使光束透过率的调节更为准确。

需要说明的是，如图4-图16所示的旋转叶片结构中，仅示出了沿逆时针方向透光孔面积占比逐渐减小的结构，即光束透过率沿逆时针方向依次减小的结构，本领域技术人员可据此设计为顺时针方向透光孔面积占比逐渐减小的结构，此处不做限制。另外，不同旋转叶片中不同区域尽管能够满足一定的光束透过率值的要求，但仍存在光束均匀性的差别，即在不同的旋转叶片结构中，实现相同的光束透过率时，其光束的均匀性会存在明显差别。基于此，为了保证光束透过率调节装置满足光束均匀性的要求，本发明实施例对如图2-图4所示的光束透过率调节装置进行了一系列的透过率模拟研究和理论计算。

图17是图2所示的光束透过率调节装置光斑随旋转角度变化的光瞳照明图案，图18是图2所示光束透过率调节装置的光学仿真光瞳照明图案效果模拟图，图19是图4、图10和图11所示的光束透过率调节装置透过率和旋转角度模拟关系曲线，图20是图2所示的光束透过率调节装置透过率和旋转角度测试关系曲线，图21是图2所示光束透过率调节装置透过率导数和旋转角度关系曲线，图22是图2所示光束透过率调节装置高透段透过率和旋转角度关系曲线和误差，图23是图2所示光束透过率调节装置低透段透过率和旋转角度关系曲线和误差，图24是图2所示光束透过率调节装置的照明均匀性评估。

其中，为进一步描述旋转叶片遮挡光束的光学效果和图案，图17列出一系列随旋转角度θ变化的光瞳图案，其中，每张子图代表旋转π/64的光瞳图案。显然，在旋转角度θ逐渐增大时，光瞳图案中透光孔的面积占比变小，光束的透过率下降。如图19所示，图4、图10和图11中的旋转叶片对应的透过率和旋转角度关系曲线均落在t＝1-0.152789θ的线性曲线和t＝0.735371^θ的指数曲线的范围内。其中，t代表光束透过率，θ代表旋转叶片的旋转角度。参考图17、图19和图20，在高透过率段对应旋转角度为0-60度，光斑逐渐进入透过率调节区，对应为图17的第1行的前六个光瞳图案；低透过率段对应旋转角度为60-300度，光斑全部进入透过率调节区，对应为图17的第一行最后两个光瞳图案至第四行的前三个光瞳图案；尾段急剧变化对应旋转角度为300-360度，光斑逐渐移出透过率调节区，对应为图17的第四行的后五个光瞳图案。并且，由图21可以看出，该旋转叶片在低透段的透过率和旋转角度关系曲线为连续单调递减且无波动效果，根据实测值同理论拟合值的对比可获得误差小于1％。如图22所示，在高透过率段对应旋转角度为0-60度，光斑逐渐进入透过率调节区，其透过率的误差同理论值之间的误差小于0.5％。如图23所示，低透过率段对应旋转角度为60-300度，光斑全部进入透过率调节区，其透过率的误差同理论值之间的误差小于0.5％。如图24示出了旋转叶片在不同旋转角度下，光束透过旋转叶片形成的光斑在不同区域的能量比曲线，即提供了光束均匀性的评估手段，由不同区域的能量比曲线可以看出，旋转叶片在旋转中间过程中，光学均匀性处于较佳的性能范围。

在上述实施例提供的光束透过率调节装置的基础上，为了进一步提高光束的均匀性，本发明实施例还提供了两种光束透过率调节装置。图25是本发明实施例提供的又一种光束透过率调节装置的结构示意图，图26是图25所示光束透过率调节装置的俯视图，图27是图25所示光束透过率调节装置的光束透过示意图，图28是图25所示光束透过率调节装置的齿轮结构示意图，参考图25-图28，该光束透过率调节装置中，透过率调节单元20包括两个旋转叶片和两个旋转轴，两个旋转叶片的图案呈轴对称；其中，示例性地，如图25所示的光束透过率调节单元20中，旋转叶片可采用如图9所示的旋转叶片结构。透过率调节单元还包括传动机构70，传动机构70分别与两个旋转轴传动连接；驱动单元30驱动一旋转轴旋转，并通过传动机构70传动另一旋转轴旋转，以使两个旋转叶片相互逆向旋转。

具体地，该透过率调节单元包括第一旋转叶片611、第二旋转叶片612、第一旋转轴621和第二旋转轴622，第一旋转叶片611和第二旋转叶片612的图案呈轴对称；传动机构70包括第一齿轮631、第二齿轮632、第三齿轮633和第四齿轮634，第一齿轮631与第二齿轮632啮合，第二齿轮632与第三齿轮633啮合，第三齿轮633与第四齿轮634啮合；第一齿轮631、第二齿轮632、第三齿轮633和第四齿轮634的转动轴均相互平行，且第一齿轮631和第四齿轮634同轴；

第一旋转轴621分别与第一旋转叶片611和第一齿轮631同轴固定连接，第二旋转轴622分别与第二旋转叶片612和第四齿轮634同轴固定连接；第一旋转轴621的一端还与驱动单元30传动连接；驱动单元30驱动第一旋转轴621转动，并带动第一齿轮631、第一旋转叶片611、第二齿轮632、第三齿轮633、第四齿轮634、第二旋转轴622和第二旋转叶片612旋转。

其中，驱动单元30驱动并带动第一旋转叶片611和第二旋转叶片612旋转时，由于第一旋转叶片611和第二旋转叶片612上的图案呈轴对称，光束经过层叠设置的第一旋转叶片611和第二旋转叶片612时，需要同时经过其上的透过率调节区，由于两个透过率调节区的遮挡和透光作用，且图案对称，故而能够保证光束透过后形成的光瞳呈对称状态，光束透过时能够实现更好的均匀性。

同样地，为了保证光束透过率调节装置满足光束均匀性的要求，本发明实施例对如图25所示的光束透过率调节装置进行了一系列的透过率模拟研究和理论计算。其中，图29是图25所示的光束透过率调节装置光斑随旋转角度变化的光瞳照明图案，图30是图25所示的光束透过率调节装置透过率和旋转角度关系曲线，图31是图25所示光束透过率调节装置透过率导数和旋转角度关系曲线，图32是图25所示光束透过率调节装置高透段透过率和旋转角度关系曲线和误差，图33是图25所示光束透过率调节装置低透段透过率和旋转角度关系曲线和误差，图34是图25所示光束透过率调节装置的照明均匀性评估。

其中，为进一步描述旋转叶片遮挡光束的光学效果和图案，图29列出一系列随旋转角度θ变化的光瞳图案，其中，每张子图代表旋转π/64的光瞳图案。显然，在旋转角度θ逐渐增大时，光瞳图案中透光孔的面积占比变小，光束的透过率下降。参考图29和图30，在高透过率段对应旋转角度为0-60度，光斑逐渐进入透过率调节区，对应为图29的第1行的前六个光瞳图案；低透过率段对应旋转角度为60-300度，光斑全部进入透过率调节区，对应为图29的第一行最后两个光瞳图案至第四行的前两个光瞳图案；尾段急剧变化对应旋转角度为300-360度，光斑逐渐移出透过率调节区，对应为图29的第四行的后六个光瞳图案。并且，由图31可以看出，该旋转叶片在低透段的透过率和旋转角度关系曲线为连续单调递减且无波动效果，表明透过率变化趋势稳定，能够保证透过率稳定下降，其处于极佳的可调范围和性能。如图32所示，在高透过率段对应旋转角度为0-60度，光斑逐渐进入透过率调节区，其透过率的误差同理论值之间的误差小于0.5％。如图33所示，低透过率段对应旋转角度为60-300度，光斑全部进入透过率调节区，其透过率的误差同理论值之间的误差小于0.5％。如图33示出了旋转叶片在不同旋转角度下，光束透过旋转叶片形成的光斑在不同区域的能量比曲线，即提供了光束均匀性的评估手段，由不同区域的能量比曲线可以看出，整体四个象限的评估函数都低于5％，光学均匀性得到明显的提升。

图35是本发明实施例提供的又一种光束透过率调节装置的结构示意图，图36是图35所示光束透过率调节装置的俯视图，图37是图35所示光束透过率调节装置的光束透过示意图，参考图35-图37，该光束透过率调节装置中，透过率调节单元20包括第三旋转叶片613、第四旋转叶片614、第三旋转轴623和第四旋转轴624；传动机构包括第五齿轮635、第六齿轮636和第七齿轮637，第六齿轮636分别与第五齿轮635和第七齿轮637啮合；第五齿轮635、第六齿轮636和第七齿轮637的转动轴均相互平行；

第三旋转轴623的两端分别与第三旋转叶片613和第五齿轮635同轴固定连接，第四旋转轴624的两端分别与第四旋转叶片614和第七齿轮637同轴固定连接；第三旋转轴623的一端还与驱动单元30传动连接；驱动单元30驱动第三旋转轴623转动，并带动第三旋转叶片613、第六齿轮636、第七齿轮637、第四旋转轴614和第四旋转叶片614旋转。

同理，驱动单元30驱动并带动第三旋转叶片613和第四旋转叶片614，由于第三旋转叶片613和第四旋转叶片614上的图案呈轴对称，光束经过层叠设置的第三旋转叶片613和第四旋转叶片614时，需要同时经过其上的透过率调节区，由于两个透过率调节区的遮挡和透光作用，且图案对称，故而能够保证光束透过后形成的光瞳呈对称状态，光束透过时能够实现更好的均匀性。

此外，需要说明的是，如图35所示的光束透过率调节中，第六齿轮636可选为夹持在第五齿轮635和第七齿轮637之间的齿轮，其外边缘设置齿槽与第五齿轮635和第七齿轮637进行啮合传动，其作用是将第五齿轮635的转动动力，传递给第七齿轮637，由此带动第七齿轮637连接的第四旋转叶片614，而本领域技术人员也可对此传动机构合理改进。图38是本发明实施例提供的又一种光束透过率调节装置的结构示意图，图39是图38所示光束透过调节装置的侧视图，参考图38和图39，示例性地，可将传动单元70中的第五齿轮635、第六齿轮636和第七齿轮637设置为行星齿轮组，其中，第六齿轮636具有圆环形内壁，圆环形内壁上设置有齿槽，第五齿轮635和第七齿轮637位于第六齿轮636内部，与第六齿轮636的内壁上的齿槽啮合传动。

如图35和图39所示的光束透过率调节装置通过设置两个旋转叶片层叠且错位设置，从体积而言尽管增加了与光束相垂直的平面上的面积，但其能够保证在光束传播方向上的尺寸较小，从而能适当减小采用该光束透过率调节装置的光学照明系统的整体尺寸，有利于适应空间较小等特殊的应用场景。

同样地，为了保证光束透过率调节装置满足光束均匀性的要求，本发明实施例对如图35所示的光束透过率调节装置进行了一系列的透过率模拟研究和理论计算。其中，图40是图35所示的光束透过率调节装置光斑随旋转角度变化的光瞳照明图案，图41是图35所示的光束透过率调节装置透过率和旋转角度关系曲线，图42是图35所示光束透过率调节装置透过率导数和旋转角度关系曲线，图43是图35所示光束透过率调节装置高透段透过率和旋转角度关系曲线和误差，图44是图35所示光束透过率调节装置低透段透过率和旋转角度关系曲线和误差，图45是图35所示光束透过率调节装置的照明均匀性评估。

其中，为进一步描述旋转叶片遮挡光束的光学效果和图案，图40列出一系列随旋转角度θ变化的光瞳图案，其中，每张子图代表旋转π/64的光瞳图案。显然，在旋转角度θ逐渐增大时，光瞳图案中透光孔的面积占比变小，光束的透过率下降。参考图40和图41，在高透过率段对应旋转角度为0-30度，光斑逐渐进入透过率调节区，对应为图40的第1行的前六个光瞳图案；低透过率段对应旋转角度为30-300度，光斑全部进入透过率调节区，对应为图40的第一行最后两个光瞳图案至第四行的前两个光瞳图案；尾段急剧变化对应旋转角度为300-360度，光斑逐渐移出透过率调节区，对应为图40的第四行的后六个光瞳图案。并且，由图42可以看出，该旋转叶片在低透段的透过率和旋转角度关系曲线为连续单调递减且无波动效果，表明透过率变化趋势稳定，能够保证透过率稳定下降，其处于极佳的可调范围和性能。如图43所示，在高透过率段对应旋转角度为0-30度，光斑逐渐进入透过率调节区，其透过率的误差同理论值之间的误差小于0.5％。如图44所示，低透过率段对应旋转角度为30-300度，光斑全部进入透过率调节区，其透过率的误差同理论值之间的误差小于0.5％。如图45示出了旋转叶片在不同旋转角度下，光束透过旋转叶片形成的光斑在不同区域的能量比曲线，即提供了光束均匀性的评估手段，由不同区域的能量比曲线可以看出，整体四个象限的评估函数都低于5％，光学均匀性得到明显的提升。

在上述实施例提供的几种光束透过率调节装置的基础上，其中除透过率调节单元外的其他结构本领域技术人员可以根据实际情况进行设计。可选地，驱动单元负责驱动旋转轴旋转，并带动旋转叶片围绕旋转轴旋转。因此，继续参考图25、图35和图38，为了实现旋转轴22的驱动，示例性地，可设置驱动单元30包括电机31、联轴器32和解码器33；电机31通过联轴器32与旋转轴传动连接，用于驱动旋转轴22转动；解码器33环套在旋转轴上，用于获取旋转轴22的旋转角度。电机31和联轴器32负责对旋转轴提供旋转动力，带动旋转轴旋转，而解码器33可以对旋转轴的旋转角度进行反馈和控制，精确调节旋转轴的旋转角度。在获知旋转角度和透过率调节单元的光束透过率的关系后，即可通过驱动单元30精确调节透过率调节单元的光束透过率。

进一步可选地，继续参考图26和图36该光束透过率调节装置还可设置包括外框40，外框40相对的两侧分别设置有通光孔以透过光束；透过率调节单元20设置在外框40内部。外框40的作用主要用于保护和支撑整个光束透过率调节装置，还可以防止空气中灰尘过多沉积等影响光束均匀性等。在此基础上，考虑到外框40中的透过率调节单元20在调节光束透过率的同时，需要阻挡部分光束的透过，因此会使透过率调节单元20尤其旋转叶片21吸收光照的热量，从而导致外框40内部温度升高。故可在该光束透过率调节装置中设置包括散热单元(图中未示出)，散热单元设置在外框40的外壁上。散热单元具体可以包括散热片和散热系统(图中未示出)，散热片可贴附在外框的外壁上，以吸附外框的热量，继而通过散热系统进行热量的散发，从而实现循环散热，保证该光束透过率调节装置的工作状态下的温度正常，避免栅格板受高温影响而变形，影响光束透过率的调节精度。

上述实施例提供的几种光束透过率调节装置，从光束透过的均匀性而言，存在不同的特性，对于采用两个旋转叶片的光束透过率调节装置，其能够利用两个旋转叶片上的图案在实现透过率调节的同时，更好地调节光束的均匀性，使光瞳中不同区域的能量更均匀，并且根据模拟和验证，上述的几种光束透过率调节装置能够获得不同程度的透过率调节能力和不同程度的光束均匀性要求。而另一方面，从体积尺寸而言，上述的各类光束透过率调节装置因为采用不同复杂程度的透过率调节装置，即采用不同数量的旋转叶片以及不同类型的传动机构，因而会对整体体积产生明显区别，使该透过率调节装置的实际应用场景存在差别。基于上述各类光束透过率调节装置，本领域技术人员可根据实际的光束透过率调节的需求以及实际的应用场景，选择和设计光束透过率调节装置的类型和具体结构，此处不做限制。

基于上述的光束透过率调节装置，本发明实施例还提供了一种光学照明系统。图46和图47是本发明实施例提供的两种光学照明系统的结构示意图，参考图46和图47，该光学照明系统还包括上述实施例提供的任一项的光束透过率调节装置1，还包括光源系统2、照射系统3、投影物镜4；光束透过率调节装置1、照射系统3和投影物镜4依次设置在光源系统2出射的光束的光路上。示例性的，光学照明系统可以为光刻机的照明系统。在本实施例的其他实施方式中，照明系统还可以为其他设备的照明系统，本实施例对此不作具体限定。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (19)

1.一种光束透过率调节装置，其特征在于，包括驱动单元和透过率调节单元，所述透过率调节单元设置在光束的传播路径上；

所述透过率调节单元包括至少一个旋转叶片和至少一个旋转轴；所述旋转叶片包括旋转中心区和围绕所述旋转中心区的圆环区，所述圆环区包括透过率调节区；

所述透过率调节区包括多个透光孔；所述多个透光孔的面积占比沿顺时针或逆时针方向越来越小；所述旋转叶片与光束的传播方向垂直，所述至少一个旋转叶片依次排布在光束的传播路径上，且光束经所述旋转叶片的所述圆环区透射；

所述至少一个旋转叶片与所述至少一个旋转轴一一对应同轴固定连接，所述旋转轴设置在光束的一侧且与光束的传播方向平行；

所述驱动单元驱动所述旋转轴并带动所述旋转叶片旋转，以使光束从所述旋转叶片的所述透过率调节区中的不同区域透射。

2.根据权利要求1所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述透过率调节单元包括两个所述旋转叶片和两个所述旋转轴，两个所述旋转叶片的图案呈轴对称；

所述透过率调节单元还包括传动机构，所述传动机构分别与两个所述旋转轴传动连接；所述驱动单元驱动一所述旋转轴旋转，并通过所述传动机构传动另一所述旋转轴旋转，以使两个所述旋转叶片相互逆向旋转。

3.根据权利要求2所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述透过率调节单元包括第一旋转叶片、第二旋转叶片、第一旋转轴和第二旋转轴，所述第一旋转叶片和所述第二旋转叶片的图案呈轴对称；

所述传动机构包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮，所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合，所述第二齿轮与所述第三齿轮啮合，所述第三齿轮与所述第四齿轮啮合；所述第一齿轮、所述第二齿轮、所述第三齿轮和所述第四齿轮的转动轴均相互平行，且所述第一齿轮和所述第四齿轮同轴；

所述第一旋转轴分别与所述第一旋转叶片和所述第一齿轮同轴固定连接，所述第二旋转轴分别与所述第二旋转叶片和所述第四齿轮同轴固定连接；所述第一旋转轴的一端还与所述驱动单元传动连接；

所述驱动单元驱动所述第一旋转轴转动，并带动所述第一齿轮、所述第一旋转叶片、所述第二齿轮、所述第三齿轮、所述第四齿轮、所述第二旋转轴和所述第二旋转叶片旋转。

4.根据权利要求2所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述透过率调节单元包括第三旋转叶片、第四旋转叶片、第三旋转轴和第四旋转轴，所述第三旋转叶片和所述第四旋转叶片的图案呈轴对称；

所述传动机构包括第五齿轮、第六齿轮和第七齿轮，所述第六齿轮分别与所述第五齿轮和所述第七齿轮啮合；所述第五齿轮、所述第六齿轮和所述第七齿轮的转动轴均相互平行；

所述第三旋转轴的两端分别与所述第三旋转叶片和所述第五齿轮同轴固定连接，所述第四旋转轴的两端分别与所述第四旋转叶片和所述第七齿轮同轴固定连接；所述第三旋转轴的一端还与所述驱动单元传动连接；

所述驱动单元驱动所述第三旋转轴转动，并带动所述第三旋转叶片、所述第六齿轮、所述第七齿轮、所述第四旋转轴和所述第四旋转叶片旋转。

5.根据权利要求1所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述多个透光孔组成沿径向依次包围的多个透光孔环，每个所述透光孔环中包括沿圆周排布的多个透光孔；以顺时针方向线或逆时针方向线为路径，以同一条半径线为初始线和终止线，每个所述透光孔环中的多个所述透光孔的面积依次变小。

6.根据权利要求5所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述透光孔的图形为多边形、圆形、椭圆形和扇形中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述多个透光孔由多个分隔栏分隔形成，且相邻的所述透光孔共用分隔栏。

8.根据权利要求7所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述圆环区包括内边缘线和围绕所述内边缘线的外边缘线，所述分隔栏为径向分隔栏，所述径向分隔栏的两端分别与所述内边缘线和所述外边缘线连接。

9.根据权利要求8所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述透过率调节区还包括多个周向分隔栏；所述周向分隔栏的两端分别连接相邻的两条所述径向分隔栏，且沿顺时针或逆时针方向，所述周向分隔栏的数量依次增加。

10.根据权利要求9所述的光束透过率调节装置，其特征在于，任意相邻的两条所述径向分隔栏的夹角相同；

沿顺时针或逆时针方向，所述周向分隔栏的数量呈等比数列或等差数列增加。

11.根据权利要求8所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述径向分隔栏与所述内边缘线连接的节点为内连接点，所述径向分隔栏与所述外边缘线连接的节点为外连接点；

相邻的两个所述内连接点的间距沿顺时针或逆时针方向依次减小，和/或，相邻的两个所述外连接点的间距沿顺时针或逆时针方向依次减小。

12.根据权利要求8所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述径向分隔栏为直线或曲线。

13.根据权利要求7所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述圆环区包括内边缘线和围绕所述内边缘线的外边缘线，所述分隔栏的一端与所述内边缘线连接；所述多个分隔栏沿顺时针或逆时针方向依次包括起始分隔栏、多个弯曲分隔栏和多个螺旋分隔栏，所述弯曲分隔栏的两端分别与所述内边缘线和所述外边缘线连接，所述螺旋分隔栏的两端分别与所述内边缘线和所述起始分隔栏连接。

14.根据权利要求1所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述圆环区还包括镂空区，所述镂空区与所述透过率调节区首尾相互拼接形成所述圆环区。

15.根据权利要求1所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述旋转叶片采用3D打印工艺或光刻工艺制备形成。

16.根据权利要求1所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述驱动单元包括电机、联轴器和解码器；

所述电机通过所述联轴器与所述旋转轴传动连接，用于驱动所述旋转轴旋转；所述解码器环套在所述旋转轴上，用于获取旋转轴的旋转角度。

17.根据权利要求1所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述光束透过率调节装置还包括外框，所述外框相对的两侧分别设置有通光孔以透过光束；所述透过率调节单元设置在所述外框内部。

18.根据权利要求17所述的光束透过率调节装置，其特征在于，所述光束透过率调节装置还包括散热单元，所述散热单元设置在所述外框的外壁上。

19.一种光学照明系统，其特征在于，包括如权利要求1-18任一项所述的光束透过率调节装置，还包括光源系统、照明系统、投影物镜；

所述光束透过率调节装置、所述照明系统和所述投影物镜依次设置在所述光源系统出射的光束的光路上。

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