一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统及方法，系统包括：用于产生激光的激光器、用于改变光路径的准直镜片、控制光斑焦点分布的衍射光学元件模块，激光器发出的激光经过准直镜片照射至衍射光学元件模块上，经过衍射光学元件模块聚焦的激光射至待加工工件上；衍射光学元件模块包括至少两个沿轴向相对分布的DOE镜片和驱动DOE镜片转动的转动驱动件，转动驱动件驱动至少一个DOE镜片以中轴线为旋转中心进行旋转，从而改变激光经过衍射光学元件模块聚焦后产生的焦点位置。本系统通过DOE镜片的旋转动态调整能量和光束焦点位置以实现动态可调焦的快速响应方案，从而通过动态光斑来对待加工工件进行激光加工。

权利要求

1.一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统，其特征在于，包括：

用于产生激光的激光器、用于改变光路径的准直镜片、控制光斑焦点分布的衍射光学元件模块，所述准直镜片置于所述激光器和所述衍射光学元件模块之间，所述激光器发出的激光经过准直镜片照射至所述衍射光学元件模块上，经过所述衍射光学元件模块聚焦的激光射至待加工工件上，所述衍射光学元件模块用于控制DOE镜片的焦度和激光的焦点分布，以使经过所述衍射光学元件模块产生的焦点沿预定的加工轨迹移动以完成对待加工工件的加工；

所述衍射光学元件模块包括至少两个沿轴向相对分布的DOE镜片和驱动所述DOE镜片转动的转动驱动件，所述DOE镜片、所述准直镜片和所述激光器产生的激光位于同一中轴线上，所述转动驱动件驱动至少一个所述DOE镜片以所述中轴线为旋转中心进行旋转，以使至少两个所述DOE镜片之间发生相互转动，从而改变激光经过衍射光学元件模块聚焦后产生的焦点位置；

所述DOE镜片根据其镜片阵列尺寸、像元大小和变焦区间选择不同的特性函数来设置镜片轮廓；

还包括横向驱动件，所述横向驱动件驱动至少一个所述DOE镜片沿与所述中轴线垂直的径向方向移动，以使两个DOE镜片之间产生横向错位移动，以测量两个DOE镜片的横向错位偏差对焦点位置的影响度。

2.根据权利要求1所述的基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统，其特征在于，所述转动驱动件包括转动驱动电机、主动驱动齿轮和从动驱动齿轮，所述转动驱动电机的驱动轴与所述主动驱动齿轮连接，所述从动驱动齿轮与所述主动驱动齿轮啮合，至少一个所述DOE镜片与所述从动驱动齿轮连接，所述转动驱动电机驱动主动驱动齿轮转动，从而带动所述从动驱动齿轮和至少一个所述DOE镜片转动。

3.根据权利要求1‑2任一项所述的基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统，其特征在于，所述衍射光学元件模块包括第一DOE镜片和第二DOE镜片，所述第一DOE镜片设置在所述准直镜片和所述第二DOE镜片之间，所述第一DOE镜片固定不动，所述第二DOE镜片在所述转动驱动件的驱动下转动。

4.根据权利要求1所述的基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统，其特征在于，所述横向驱动件包括机架、设置在机架上的滑台、驱动所述滑台沿与所述DOE镜片光轴方向垂直的方向横向移动的横向驱动电机，所述转动驱动件设置在所述滑台上，所述横向驱动电机驱动所述滑台和与所述转动驱动件连接的DOE镜片相对于固定不动的DOE镜片做横向移动。

5.一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、选取用于产生激光的激光器、用于改变光路径的准直镜片、控制光斑焦点分布的衍射光学元件模块，将所述准直镜片置于所述激光器和所述衍射光学元件模块之间，根据其镜片阵列尺寸、像元大小和变焦区间选择不同的特性函数来设置DOE镜片的镜片轮廓函数；

S2、所述衍射光学元件模块选取至少两个沿轴向相对分布的DOE镜片和驱动所述DOE镜片转动的转动驱动件，通过所述转动驱动件驱动至少一个所述DOE镜片以DOE镜片的光轴为旋转中心进行旋转θ角，以使至少两个所述DOE镜片之间发生相互转动，从而改变DOE镜片的焦度和激光经过衍射光学元件模块聚焦后产生的焦点位置；

S3、开启所述激光器，所述激光器发出的激光经过准直镜片照射至所述衍射光学元件模块上，经过所述衍射光学元件模块聚焦的激光射至待加工工件上，所述衍射光学元件模块用于控制DOE镜片的焦度和激光的焦点分布，以使经过所述衍射光学元件模块产生的焦点沿预定的加工轨迹移动以完成对待加工工件的加工；

所述步骤S2中还包括DOE镜片横向错位偏差动态评估步骤：

通过设置横向驱动件，所述横向驱动件驱动至少一个所述DOE镜片沿与中轴线垂直的径向方向移动，以使两个DOE镜片之间产生横向错位移动，以测量两个DOE镜片的横向错位偏差对焦点位置的影响度，两个DOE镜片之间以0.1～1微米的精度产生相互横向错位移动。

6.根据权利要求5所述的基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工方法，其特征在于，步骤S2中两个DOE镜片完成相对转动后的镜片焦度的计算过程如下步骤：a1、选取相对设置的第一DOE镜片和第二DOE镜片，其中第一DOE镜片保持固定，第二DOE镜片通过转动驱动件驱动其以DOE镜片的光轴为旋转中心进行旋转，旋转角度为θ角，其中第一DOE镜片和第二DOE镜片的相位配置分别为T1，T2，T1，T2的计算公式如下：其中，r和 是从DOE镜片中心测量的极坐标，F(r)是DOE镜片的镜片轮廓函数，镜片轮廓函数仅取决于径向坐标r，F(r)是旋转对称的；

a2、当第二DOE镜片发生θ角度的旋转时，第二DOE镜片的目标相位配置T2转变为T2，T2t的计算公式如下表示为：通过上述公式可知整个绕旋转中心旋转θ角过程，相位是线性增加的，而且旋转后前后相位形成的线性相位变化的相位信息随之改变；

a3、将步骤S1中依据镜片阵列尺寸、像元大小和变焦区间选择的所述DOE镜片的镜片轮廓函数带入步骤a2的公式中，计算第二DOE镜片旋转θ角后得到的两个不同焦度f1和f2。

7.根据权利要求6所述的基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工方法，其特征在于，所述步骤S1选取抛物面菲涅尔透镜作为DOE镜片的透镜轮廓，且该透镜轮廓的特性函数为：2

F(r)＝ar

其中，r为径向极坐标，a为可选常数；将该公式带入到步骤a2的公式中得到以下公式：

通过第二DOE镜片的相位信息得到第二DOE镜片旋转θ角变化后两个不同的焦度f1和f2为：其中，λ为工作波长，a为相位常数定义，θ为角度变更大小。

说明书

一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统及方法。

背景技术

[0002] 在激光加工领域中，现有的调节激光焦点的方法多采用透镜沿轴向移动来实现，从而使得焦点产生动态变化，但是这种调节方式需要设置轴向位移驱动件，且要计算轴向位移对焦点位置的影响，同时驱动透镜轴向位移必然会增加整个激光加工设备在轴向上的长度，使得设备的尺寸变大，不适用于紧凑型结构的激光加工设备。

发明内容

[0003] 为了解决上述技术问题，本发明的第一目的在于提供一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统，DOE镜片通过薄片相位控制实现在空间或重量受到严格限制的情况下的工作，同时衍射光学元件模块的焦距通过使两个DOE镜片之间相互旋转一定的角度来精确调整，并使该焦距和激光的焦点位置固定，无需使用压力或电压施加外力。因此本系统所需的屈光力的调整是精确且可重复的，一旦调整屈光力就不会蠕变。同时本系统的变焦方式无需设置轴向位移的驱动件，可大幅度减少机械件的结构尺寸，使得整个系统尺寸更加紧凑。

[0004] 为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

[0005] 一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统，包括：

[0006] 用于产生激光的激光器、用于改变光路径的准直镜片、控制光斑焦点分布的衍射光学元件模块，所述准直镜片置于所述激光器和所述衍射光学元件模块之间，所述激光器发出的激光经过准直镜片照射至所述衍射光学元件模块上，经过所述衍射光学元件模块聚焦的激光射至待加工工件上，所述衍射光学元件模块用于控制DOE镜片的焦度和激光的焦点分布，以使经过所述衍射光学元件模块产生的焦点沿预定的加工轨迹移动以完成对待加工工件的加工；

[0007] 所述衍射光学元件模块包括至少两个沿轴向相对分布的DOE镜片和驱动所述DOE镜片转动的转动驱动件，所述DOE镜片、所述准直镜片和所述激光器产生的激光位于同一中轴线上，所述转动驱动件驱动至少一个所述DOE镜片以所述中轴线为旋转中心进行旋转，以使至少两个所述DOE镜片之间发生相互转动，从而改变激光经过衍射光学元件模块聚焦后产生的焦点位置。

[0008] DOE镜片即为衍射元件镜片，每两个相对设置的两个DOE镜片形成一个镜片组，且这两个相对设置的DOE镜片可完成相对转动，具体的可以为其中一个DOE镜片固定不动，另一DOE镜片转动；或者两个DOE镜片同时转动，从而使这两个DOE镜片完成相对转动。

[0009] 优选的，所述DOE镜片根据其镜片阵列尺寸、像元大小和变焦区间选择不同的特性函数来设置镜片轮廓。

[0010] 优选的，所述转动驱动件包括转动驱动电机、主动驱动齿轮和从动驱动齿轮，所述转动驱动电机的驱动轴与所述主动驱动齿轮连接，所述从动驱动齿轮与所述主动驱动齿轮啮合，至少一个所述DOE镜片与所述从动驱动齿轮连接，所述转动驱动电机驱动主动驱动齿轮转动，从而带动所述从动驱动齿轮和至少一个所述DOE镜片转动。

[0011] 优选的，所述衍射光学元件模块包括第一DOE镜片和第二DOE镜片，所述第一DOE镜片设置在所述准直镜片和所述第二DOE镜片之间，所述第一DOE镜片固定不动，所述第二DOE镜片在所述转动驱动件的驱动下转动。

[0012] 优选的，所述从动驱动齿轮和第二DOE镜片连接，所述第二DOE镜片安装在所述从动驱动齿轮的内圈中，以使从动驱动齿轮带动第二DOE镜片以第二DOE镜片的中心为旋转中心进行转动，使得第二DOE镜片的相位发生变化，进一步使得激光经过第一DOE镜片、第二DOE镜片后的焦点位置发生变化。

[0013] 优选的，所述转动驱动电机得驱动轴连接至少一个主动驱动齿轮，多个主动驱动齿轮的齿数和直径可相同或不相同，所述转动驱动电机带动一个所述主动驱动齿轮或多个主动驱动齿轮转动，以使与主动驱动齿轮啮合的从动驱动齿轮转动相同或不同的角度。

[0014] 优选的，还包括横向驱动件，所述横向驱动件驱动至少一个所述DOE镜片沿与所述中轴线垂直的径向方向移动，以使两个DOE镜片之间产生横向错位移动，以测量两个DOE镜片的横向错位偏差对焦点位置的影响度。

[0015] 优选的，所述横向驱动件包括机架、设置在机架上的滑台、驱动所述滑台沿与所述DOE镜片光轴方向垂直的方向横向移动的横向驱动电机，所述转动驱动件设置在所述滑台上，所述横向驱动电机驱动所述滑台和与所述转动驱动件连接的DOE镜片相对于固定不动的DOE镜片做横向移动。

[0016] 基于同一发明构思，本发明的第二目的在于提供一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工方法，包括如下步骤：

[0017] S1、选取用于产生激光的激光器、用于改变光路径的准直镜片、控制光斑焦点分布的衍射光学元件模块，将所述准直镜片置于所述激光器和所述衍射光学元件模块之间，根据其镜片阵列尺寸、像元大小和变焦区间选择不同的特性函数来设置所述DOE镜片的镜片轮廓函数；

[0018] S2、所述衍射光学元件模块选取至少两个沿轴向相对分布的DOE镜片和驱动所述DOE镜片转动的转动驱动件，通过所述转动驱动件驱动至少一个所述DOE镜片以DOE镜片的光轴为旋转中心进行旋转θ角，以使至少两个所述DOE镜片之间发生相互转动，从而改变DOE镜片的焦度和激光经过衍射光学元件模块聚焦后产生的焦点位置；

[0019] S3、开启所述激光器，所述激光器发出的激光经过准直镜片照射至所述衍射光学元件模块上，经过所述衍射光学元件模块聚焦的激光射至待加工工件上，所述衍射光学元件模块用于控制DOE镜片的焦度和激光的焦点分布，以使经过所述衍射光学元件模块产生的焦点沿预定的加工轨迹移动以完成对待加工工件的加工。

[0020] 优选的，所述步骤S2中两个DOE镜片完成相对转动后的镜片焦度的计算过程如下步骤：

[0021] a1、选取相对设置的第一DOE镜片和第二DOE镜片，其中第一DOE镜片保持固定，第二DOE镜片通过转动驱动件驱动其以DOE镜片的光轴为旋转中心进行旋转，旋转角度为θ角，其中第一DOE镜片和第二DOE镜片的相位配置分别为T1，T2，T1，T2的计算公式如下：

[0022]

[0023]

[0024] 其中，r和 是从DOE镜片中心测量的极坐标，F(r)是DOE镜片的镜片轮廓函数，镜片轮廓函数仅取决于径向坐标r，F(r)是旋转对称的；

[0025] a2、当第二DOE镜片发生θ角度的旋转时，第二DOE镜片的目标相位配置T2转变为T2，T2t的计算公式如下表示为：

[0026]

[0027]

[0028] 通过上述公式可知整个绕旋转中心旋转θ角过程，相位是线性增加的，而且旋转后前后相位形成的线性相位变化的相位信息随之改变；

[0029] a3、将步骤S1中依据镜片阵列尺寸、像元大小和变焦区间选择的所述DOE镜片的镜片轮廓函数带入步骤a2的公式中，计算第二DOE镜片旋转θ角后得到的两个不同焦度f1和f2。

[0030] 优选的，所述步骤S1选取抛物面菲涅尔透镜作为DOE镜片的透镜轮廓，且该透镜轮廓的特性函数为：

[0031] F(r)＝ar2

[0032] 其中，r为径向极坐标，a为可选常数；将该公式带入到步骤a2的公式中得到以下公式：

[0033]

[0034]

[0035] 通过第二DOE镜片的相位信息得到第二DOE镜片旋转θ角变化后两个不同的焦度f1和f2为：

[0036]

[0037]

[0038] 其中，λ为工作波长，a为相位常数定义，θ为角度变更大小。

[0039] 同时由该焦度f1和f2公式可以看出两个透镜扇区的屈光力之间的差异是恒定的，由于选取的抛物面菲涅尔透镜的特性函数中相位参数的2r周期性，定义径向相位分布函数为F(r)＝round，T1，T2定义两个相位变换的转换函数，相对角度发生变化可等效屈光能力变化，因此，传输函数由一系列恒定相位的同心环组成，它们在镜片区域的外部区域变得更细，在DOE镜片后方形成的相邻的环之间总是有一个固定的相位跳跃。

[0040] 优选的，所述步骤S2中还包括DOE镜片横向错位偏差动态评估步骤：

[0041] 通过设置横向驱动件，所述横向驱动件驱动至少一个所述DOE镜片沿与所述中轴线垂直的径向方向移动，以使两个DOE镜片之间产生横向错位移动，以测量两个DOE镜片的横向错位偏差对焦点位置的影响度，两个DOE镜片之间以0.1～1微米的精度产生相互横向错位移动。

[0042] 优选的，两个DOE镜片之间以0.5微米的精度产生相互横向错位移动。

[0043] 相对于现有技术，本发明取得了有益的技术效果：

[0044] 1、DOE镜片通过薄片相位控制实现在空间或重量受到严格限制的情况下的工作，同时衍射光学元件模块的焦距通过使两个DOE镜片之间相互旋转一定的角度来精确调整，并使该焦距和激光的焦点位置固定，无需使用压力或电压施加外力。因此本系统所需的屈光力的调整是精确且可重复的，一旦调整，屈光力就不会蠕变。

[0045] 2、DOE镜片的平整度还避免了透镜像差，它们甚至提供了设计非球面自由曲面透镜的可能性，该透镜可用于校正组合透镜系统中标准透镜的像差。同时DOE镜片的色散性很强，其折射能力与光波长呈线性关系，DOE镜片的色散与折射玻璃镜片的色散相反，因此DOE镜片可用于本系统的衍射光学元件模块中，从而使得本系统具有降低色差的复合折射/衍射光学系统，且在宽带波长范围内，本系统也可实现大约85％的最大相对效率；

[0046] 3、本系统的变焦方式无需设置轴向位移的驱动件，可大幅度减少机械件的结构尺寸，使得整个系统尺寸更加紧凑。

[0047] 4、本系统结合能量整形的对称相位设计，在变焦过程中，通过DOE镜片的旋转动态调整能量和光束焦点位置以实现动态可调焦的快速响应方案，从而通过动态光斑来对待加工工件进行激光加工。

[0048] 5、本系统通过研究不同类型的阵列相位排布方案，结合实际测试效率对衍射效率满足需求的相位元件进行实际测试，从而确定焦度和衍射效率变化关系实现光源能量输出稳定可控的动态光场元件设计。

附图说明

[0049] 图1是本发明实施例一中基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统在第二DOE镜片旋转了0°时的配置示意图；

[0050] 图2是本发明实施例一中基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统在在第二DOE镜片旋转了60°时的配置示意图；

[0051] 图3是本发明实施例一中第二DOE镜片旋转了0°和60°情况下的光路示意图和焦点位置示意图；

[0052] 图4是实施例一第一DOE镜片和第二DOE镜片产生相对旋转60°的相位配置示意图；

[0053] 图5是实施例一第一DOE镜片和第二DOE镜片产生相对旋转300°的相位配置示意图[0054] 图6是本发明实施例一表1中4种不同规格DOE镜片的旋转角度和焦度的变化关系示意图；

[0055] 图7是本发明实施例一表1中4种不同规格的DOE镜片的焦度和衍射效率的变化关系示意图；

[0056] 其中，各附图标记所指代的技术特征如下：

[0057] 1.1、激光器；1.2、准直镜片；1.3、第一DOE镜片；1.4、第二DOE镜片；1.5、主动驱动齿轮；1.6、从动驱动齿轮；1.7、转动驱动电机。

具体实施方式

[0058] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。

[0059] 实施例一

[0060] 参考图1和2，本实施例公开了一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统，包括用于产生激光的激光器1.1、用于改变光路径的准直镜片1.2、控制光斑焦点分布的衍射光学元件模块，所述准直镜片1.2置于所述激光器1.1和所述衍射光学元件模块之间，所述激光器1.1发出的激光经过准直镜片1.2照射至所述衍射光学元件模块上，经过所述衍射光学元件模块聚焦的激光射至待加工工件上，所述衍射光学元件模块用于控制DOE镜片的焦度和激光的焦点分布，以使经过所述衍射光学元件模块产生的焦点沿预定的加工轨迹移动以完成对待加工工件的加工；

[0061] 所述衍射光学元件模块包括至少两个沿轴向相对分布的DOE镜片和驱动所述DOE镜片转动的转动驱动件，所述DOE镜片、所述准直镜片1.2和所述激光器1.1产生的激光位于同一中轴线上，所述转动驱动件驱动至少一个所述DOE镜片以所述中轴线为旋转中心进行旋转，以使至少两个所述DOE镜片之间发生相互转动，从而改变激光经过衍射光学元件模块聚焦后产生的焦点位置。通过准直镜片1.2后的准直光束照射衍射光学元件模块，使用具有线性强度响应的相机对DOE镜片在后焦平面上形成的光斑进行评价，评价函数为点扩散函数(PSF)。

[0062] DOE镜片即为衍射元件镜片，DOE镜片为通常采用微纳刻蚀工艺构成二维分布的衍射单元，每个衍射单元可以有特定的形貌、折射率等，对激光波前位相分布进行精细调控。激光经过每个衍射单元后发生衍射，并在一定距离(通常为无穷远或透镜焦平面)处产生干涉，形成特定的光强分布。每两个相对设置的两个DOE镜片形成一个镜片组，且这两个相对设置的DOE镜片可完成相对转动，具体的可以为其中一个DOE镜片固定不动，另一DOE镜片转动；或者两个DOE镜片同时转动，从而使这两个DOE镜片完成相对转动。

[0063] 同时由于DOE镜片的双焦特性导致的对比度降低相当低，光被非所需的透镜强烈散焦，因此焦点在像平面中被稀释，为避免双焦透镜的这一问题，可以使两个DOE镜片中的固定不动的DOE镜片采用非整数莫尔透镜设计，并通过相应的吸收掩模屏蔽不需要的部分，从而使得单镜头变焦物镜变得可行。

[0064] 参考图1和图2，本实施例优选的，所述衍射光学元件模块包括第一DOE镜片1.3和第二DOE镜片1.4，所述第一DOE镜片1.3设置在所述准直镜片1.2和所述第二DOE镜片1.4之间，所述第一DOE镜片1.3固定不动，所述第二DOE镜片1.4在所述转动驱动件的驱动下转动。

[0065] 参考图3，图3中的A‑2绘制了第二DOE镜片1.4旋转了0°情况下的光路示意图和焦点位置。B‑2绘制了第二DOE镜片1.4旋转了60°情况下的光路示意图和焦点位置，从A‑2和B‑2中能明确看出焦点的位置发货所能了变化。

[0066] 同时参考图4绘制的第一DOE镜片1.3和第二DOE镜片1.4产生相对旋转θ＝60°的相位配置示意图和图5绘制的第一DOE镜片1.3和第二DOE镜片1.4产生相对旋转θ＝300°的相位配置示意图，通过对比相位和旋转过程中衍射效率评估确定变焦方案。

[0067] 如表1所示，所述DOE镜片根据其镜片阵列尺寸、像元大小和变焦区间选择不同的特性函数来设置镜片轮廓。本实施例通过研究不同类型的阵列相位排布方案，结合实际测试效率对衍射效率满足需求的相位元件进行实际测试，确定焦度和衍射效率变化关系实现光源能量输出稳定可控的动态光场元件设计。

[0068] 表1：不同阵列尺寸、像元大小和变焦区间下DOE镜片的镜片轮廓特性函数[0069]

[0070] 通过对比不同大小阵列尺寸的DOE镜片，确认具体实施方案。参考图6和图7，得到4个规格下的DOE镜片在不同旋转角度下的镜片焦度的变化图以及不同规格的DOE镜片的焦度和衍射效率的变化关系示意图，因此可以根据实际加工需求，来选择不同镜片轮廓特性函数来选择特定的DOE镜片，以满足不同的加工需求。

[0071] 所述转动驱动件包括转动驱动电机1.7、主动驱动齿轮1.5和从动驱动齿轮1.6，所述转动驱动电机1.7的驱动轴与所述主动驱动齿轮1.5连接，所述从动驱动齿轮1.6与所述主动驱动齿轮1.5啮合，至少一个所述DOE镜片与所述从动驱动齿轮1.6连接，所述转动驱动电机1.7驱动主动驱动齿轮1.5转动，从而带动所述从动驱动齿轮1.6和至少一个所述DOE镜片转动。本实施例中，所述从动驱动齿轮1.6和第二DOE镜片1.4连接，所述第二DOE镜片1.4安装在所述从动驱动齿轮1.6的内圈中，以使从动驱动齿轮1.6带动第二DOE镜片1.4以第二DOE镜片1.4的中心为旋转中心进行转动，使得第二DOE镜片1.4的相位发生变化，进一步使得激光经过第一DOE镜片1.3、第二DOE镜片1.4后的焦点位置发生变化。

[0072] 本实施例还包括横向驱动件，所述横向驱动件驱动至少一个所述DOE镜片沿与所述中轴线垂直的径向方向移动，以使两个DOE镜片之间产生横向错位移动，以测量两个DOE镜片的横向错位偏差对焦点位置的影响度。

[0073] 所述横向驱动件包括机架、设置在机架上的滑台、驱动所述滑台沿与所述DOE镜片光轴方向垂直的方向横向移动的横向驱动电机，所述转动驱动件设置在所述滑台上，所述横向驱动电机驱动所述滑台和与所述转动驱动件连接的DOE镜片相对于固定不动的DOE镜片做横向移动。通过同步评估对称敏感的第一DOE镜片1.3和第二DOE镜片1.4的错位影响，从而对横向错位偏差进行动态评估，DOE元件横向错位的影响，两个DOE镜片之间以0.1～1微米的精度产生相互横向错位移动。优选的，第一DOE镜片1.3保持不动，第二DOE镜片1.4沿径向横向移动，两个DOE镜片之间以0.5微米的精度产生相互横向错位移动。

[0074] 实施例二

[0075] 本实施例仅描述与上述实施例不同之处，本实施例中，所述转动驱动电机1.7得驱动轴连接两个以上主动驱动齿轮1.5，多个主动驱动齿轮1.5的齿数和直径可相同或不相同，所述转动驱动电机1.7带动一个所述主动驱动齿轮1.5或多个主动驱动齿轮1.5转动，以使与主动驱动齿轮1.5啮合的从动驱动齿轮1.6转动相同或不同的角度。，本实施例可以构件三个及三个以上DOE镜片组成的衍射光学元件模块。

[0076] 实施例三

[0077] 本实施例公开了基于同一发明构思，本发明的第二目的在于提供一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工方法，包括如下步骤：

[0078] S1、选取用于产生激光的激光器、用于改变光路径的准直镜片、控制光斑焦点分布的衍射光学元件模块，将所述准直镜片置于所述激光器和所述衍射光学元件模块之间，根据其镜片阵列尺寸、像元大小和变焦区间选择不同的特性函数来设置所述DOE镜片的镜片轮廓函数；

[0079] S2、所述衍射光学元件模块选取至少两个沿轴向相对分布的DOE镜片和驱动所述DOE镜片转动的转动驱动件，通过所述转动驱动件驱动至少一个所述DOE镜片以DOE镜片的光轴为旋转中心进行旋转θ角，以使至少两个所述DOE镜片之间发生相互转动，从而改变DOE镜片的焦度和激光经过衍射光学元件模块聚焦后产生的焦点位置；

[0080] S3、开启所述激光器，所述激光器发出的激光经过准直镜片照射至所述衍射光学元件模块上，经过所述衍射光学元件模块聚焦的激光射至待加工工件上，所述衍射光学元件模块用于控制DOE镜片的焦度和激光的焦点分布，以使经过所述衍射光学元件模块产生的焦点沿预定的加工轨迹移动以完成对待加工工件的加工。

[0081] 通过准时光束照射DOE镜片，使用具有线性强度响应的相机对透镜的点扩散函数(PSF)在后焦平面上进行评价。我们还表明，由于DOE透镜的双焦特性导致的对比度降低相当低，因为光被非所需的透镜强烈散焦，因此在像平面中被“稀释”。避免双焦透镜的另一种选择是使用元件1的非整数莫尔透镜设计，并通过相应的吸收掩模屏蔽不需要的部分。单镜头变焦物镜变得可行。此外，两个或多个DOE的组合允许构建新型光学系统，它们不需要任何组件的轴向位移。

[0082] 所述步骤S2中两个DOE镜片完成相对转动后的镜片焦度的计算过程如下步骤：

[0083] a1、选取相对设置的第一DOE镜片和第二DOE镜片，其中第一DOE镜片保持固定，第二DOE镜片通过转动驱动件驱动其以DOE镜片的光轴为旋转中心进行旋转，旋转角度为θ角，其中第一DOE镜片和第二DOE镜片的相位配置分别为T1，T2，T1，T2的计算公式如下：

[0084]

[0085]

[0086] 其中，r和 是从DOE镜片中心测量的极坐标，F(r)是DOE镜片的镜片轮廓函数，镜片轮廓函数仅取决于径向坐标r，F(r)是旋转对称的；

[0087] a2、当第二DOE镜片发生θ角度的旋转时，第二DOE镜片的目标相位配置T2转变为T2，T2t的计算公式如下表示为：

[0088]

[0089]

[0090] 通过上述公式可知整个绕旋转中心旋转θ角过程，相位是线性增加的，而且旋转后前后相位形成的线性相位变化的相位信息随之改变；

[0091] a3、将步骤S1中依据镜片阵列尺寸、像元大小和变焦区间选择的所述DOE镜片的镜片轮廓函数带入步骤a2的公式中，计算第二DOE镜片旋转θ角后得到的两个不同焦度f1和f2。

[0092] 优选的，所述步骤S1选取抛物面菲涅尔透镜作为DOE镜片的透镜轮廓，且该透镜轮廓的特性函数为：

[0093] F(r)＝ar2

[0094] 其中，r为径向极坐标，a为可选常数；将该公式带入到步骤a2的公式中得到以下公式：

[0095]

[0096]

[0097] 通过第二DOE镜片的相位信息得到第二DOE镜片旋转θ角变化后两个不同的焦度f1和f2为：

[0098]

[0099]

[0100] 其中，λ为工作波长，a为相位常数定义，θ为角度变更大小。

[0101] 同时由该焦度f1和f2公式可以看出两个透镜扇区的屈光力之间的差异是恒定的，由于选取的抛物面菲涅尔透镜的特性函数中相位参数的2r周期性，定义径向相位分布函数为F(r)＝round，T1，T2定义两个相位变换的转换函数，相对角度发生变化可等效屈光能力变化，因此，传输函数由一系列恒定相位的同心环组成，它们在镜片区域的外部区域变得更细，在DOE镜片后方形成的相邻的环之间总是有一个固定的相位跳跃。

[0102] 优选的，所述步骤S2中还包括DOE镜片横向错位偏差动态评估步骤：

[0103] 通过设置横向驱动件，所述横向驱动件驱动至少一个所述DOE镜片沿与所述中轴线垂直的径向方向移动，以使两个DOE镜片之间产生横向错位移动，以测量两个DOE镜片的横向错位偏差对焦点位置的影响度，两个DOE镜片之间以0.1～1微米的精度产生相互横向错位移动。

[0104] 优选的，两个DOE镜片之间以0.5微米的精度产生相互横向错位移动。

[0105] 根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。