在光子學(xué)和精密光學(xué)領(lǐng)域，對準(zhǔn)至關(guān)重要。無論是將光纖陣列耦合到硅光子芯片，將激光束引導(dǎo)到反射鏡陣列上，還是在顯微鏡物鏡內(nèi)定位透鏡，每一微米，甚至每一納米，都至關(guān)重要。高精度機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)中一個常被忽視但至關(guān)重要的功能是用戶可編程樞軸點，有時也稱作虛擬旋轉(zhuǎn)中心。

什么是樞軸點？

在多軸定位系統(tǒng)中，運(yùn)動包括平移（X、Y、Z）和旋轉(zhuǎn)（俯仰、偏轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)）。每次旋轉(zhuǎn)都圍繞空間中的一個點進(jìn)行：即樞軸點。

在傳統(tǒng)的機(jī)械裝置中，樞軸點由各軸的幾何結(jié)構(gòu)所固定。當(dāng)用戶發(fā)出旋轉(zhuǎn)指令時，運(yùn)動系統(tǒng)會圍繞該位置進(jìn)行物理弧線運(yùn)動，而該位置通常遠(yuǎn)離光學(xué)交互點。 這會使對準(zhǔn)過程變得繁瑣，尤其是當(dāng)旋轉(zhuǎn)無意中在目標(biāo)點引入橫向運(yùn)動時。

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為何樞軸點控制能改變光學(xué)對準(zhǔn)效率？

用戶可編程虛擬樞軸點使運(yùn)動控制器或運(yùn)動學(xué)模型能夠在軟件中重新定義虛擬旋轉(zhuǎn)中心的位置。用戶不再受限于機(jī)械參考點，而是可以指定三維空間中的某一點（例如，光纖末端、透鏡焦平面或光子學(xué)器件中心）。

定義虛擬樞軸點后，系統(tǒng)會自動重新計算旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動，使得所有命令的旋轉(zhuǎn)都圍繞所選點進(jìn)行。

結(jié)果：

l 在光學(xué)交互點實現(xiàn)純粹的角運(yùn)動，無橫向漂移。

l 對準(zhǔn)更快、更簡單——每次微小旋轉(zhuǎn)后無需機(jī)械地重新定位多個軸。

l 精度和重復(fù)精度更高，因為對準(zhǔn)算法可直接在光學(xué)中心運(yùn)行。

示例：光纖至芯片的對準(zhǔn)

在光纖陣列與光子集成電路 (PIC) 的主動對準(zhǔn)過程中，即便亞微米級的橫向位移，也會使耦合效率大幅降低。

若無一個可編程樞軸點，為優(yōu)化耦合而進(jìn)行的俯仰角或偏轉(zhuǎn)角調(diào)整，也會引入橫向運(yùn)動，因而需要多次迭代校正。

如果使用支持可編程樞軸點的六足位移臺（并聯(lián)運(yùn)動）或堆疊式多軸系統(tǒng)（串聯(lián)運(yùn)動），則可以將虛擬旋轉(zhuǎn)中心直接設(shè)置在光纖末端。如此一來，每次角度調(diào)整都只會改變光纖指向，而其末端在空間中保持固定，從而大幅提升自動化光子學(xué)對準(zhǔn)的速度與良率。

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)勢

l 光束偏轉(zhuǎn)：反射鏡或透鏡可繞光束腰或焦點旋轉(zhuǎn)，從而在整個光路中保持光束對準(zhǔn)。

l 顯微鏡與成像：物鏡傾斜或聚焦時，不會使光軸相對樣品發(fā)生位移。

l 計量：干涉儀或探測器可繞光路中的參考點旋轉(zhuǎn)，從而簡化校準(zhǔn)流程。

實現(xiàn)方式

PI的六足位移臺、并聯(lián)運(yùn)動納米定位器以及PINovAlign模塊化校準(zhǔn)系統(tǒng)等，均采用內(nèi)置運(yùn)動學(xué)模型的控制器平臺，可自動執(zhí)行所需的坐標(biāo)變換。該過程對用戶是透明的，無需用戶進(jìn)行復(fù)雜計算。

F-141 PInovAlign六自由度光子學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)采用緊湊的模塊化設(shè)計，與PI的六足位移臺對準(zhǔn)平臺一樣，提供用戶可編程的樞軸點。

當(dāng)用戶定義樞軸點位置時，控制器會實時轉(zhuǎn)換運(yùn)動命令，以維持該虛擬旋轉(zhuǎn)中心。
此功能還可與快速多通道光子學(xué)對準(zhǔn) (FMPA) 等自動化對準(zhǔn)算法無縫集成，以在不引入寄生運(yùn)動的情況下，實現(xiàn)精密的多自由度優(yōu)化。

混合運(yùn)動學(xué)六軸定位系統(tǒng)，基于三個線性電機(jī)驅(qū)動的XY位移平臺，并由PI的EtherCAT運(yùn)動控制器驅(qū)動。

六軸NanoCube壓電陶瓷柔性鉸鏈納米定位平臺采用PI的高性能E-713壓電陶瓷運(yùn)動控制器，該控制器還提供用戶可編程的樞軸點，適合精密透鏡對準(zhǔn)和多軸光學(xué)定位。

實現(xiàn)方式

用戶可編程樞軸點不僅僅是提供便利，它更是現(xiàn)代光子學(xué)與光學(xué)對準(zhǔn)實現(xiàn)高精度和高速度的關(guān)鍵所在。通過解耦旋轉(zhuǎn)與平移，工程師和研究人員能夠圍繞所需光學(xué)參考點操控零部件，從而簡化對準(zhǔn)流程、減少誤差、實現(xiàn)更快速的自動化。