在光子學(xué)和精密光學(xué)領(lǐng)域，對(duì)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(dòng)系統(tǒng)中一個(gè)常被忽視但至關(guān)重要的功能是用戶可編程樞軸點(diǎn)，有時(shí)也稱作虛擬旋轉(zhuǎn)中心。

什么是樞軸點(diǎn)？

在多軸定位系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)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(gè)點(diǎn)進(jìn)行：即樞軸點(diǎn)。

在傳統(tǒng)的機(jī)械裝置中，樞軸點(diǎn)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(shí)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)圍繞該位置進(jìn)行物理弧線運(yùn)動(dòng)，而該位置通常遠(yuǎn)離光學(xué)交互點(diǎn)。 這會(huì)使對(duì)準(zhǔn)過程變得繁瑣，尤其是當(dāng)旋轉(zhuǎn)無意中在目標(biāo)點(diǎn)引入橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)。

        固定樞軸點(diǎn)測(cè)角儀原理                                     WT100電動(dòng)測(cè)角儀

為何樞軸點(diǎn)控制能改變光學(xué)對(duì)準(zhǔn)效率？

用戶可編程虛擬樞軸點(diǎn)使運(yùn)動(dòng)控制器或運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，而是可以指定三維空間中的某一點(diǎn)（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(diǎn)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)重新計(jì)算旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)，使得所有命令的旋轉(zhuǎn)都圍繞所選點(diǎn)進(jìn)行。

結(jié)果：

l 在光學(xué)交互點(diǎn)實(shí)現(xiàn)純粹的角運(yùn)動(dòng)，無橫向漂移。

l 對(duì)準(zhǔn)更快、更簡(jiǎn)單——每次微小旋轉(zhuǎn)后無需機(jī)械地重新定位多個(gè)軸。

l 精度和重復(fù)精度更高，因?yàn)閷?duì)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(duì)準(zhǔn)

在光纖陣列與光子集成電路 (PIC) 的主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)過程中，即便亞微米級(jí)的橫向位移，也會(huì)使耦合效率大幅降低。

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

如果使用支持可編程樞軸點(diǎn)的六足位移臺(tái)（并聯(lián)運(yùn)動(dòng)）或堆疊式多軸系統(tǒng)（串聯(lián)運(yùn)動(dòng)），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(huì)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(dòng)化光子學(xué)對(duì)準(zhǔn)的速度與良率。

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

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

l 顯微鏡與成像：物鏡傾斜或聚焦時(shí)，不會(huì)使光軸相對(duì)樣品發(fā)生位移。

l 計(jì)量：干涉儀或探測(cè)器可繞光路中的參考點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，從而簡(jiǎn)化校準(zhǔn)流程。

實(shí)現(xiàn)方式

PI的六足位移臺(tái)、并聯(lián)運(yùn)動(dòng)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(dòng)學(xué)模型的控制器平臺(tái)，可自動(dòng)執(zhí)行所需的坐標(biāo)變換。該過程對(duì)用戶是透明的，無需用戶進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算。

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

當(dāng)用戶定義樞軸點(diǎn)位置時(shí)，控制器會(huì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)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(duì)準(zhǔn) (FMPA) 等自動(dòng)化對(duì)準(zhǔn)算法無縫集成，以在不引入寄生運(yùn)動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)精密的多自由度優(yōu)化。

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

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

實(shí)現(xiàn)方式

用戶可編程樞軸點(diǎn)不僅僅是提供便利，它更是現(xiàn)代光子學(xué)與光學(xué)對(duì)準(zhǔn)實(shí)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(diǎn)操控零部件，從而簡(jiǎn)化對(duì)準(zhǔn)流程、減少誤差、實(shí)現(xiàn)更快速的自動(dòng)化。