PI Blog | 虚拟枢轴点在光学校准与光子学对准中至关重要
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PI Blog | 虚拟枢轴点在光学校准与光子学对准中至关重要
在光子学和精密光学系统中，对准的精度决定了整体性能和可靠性。无论是将光纤阵列耦合到硅光子芯片，将激光引导至反射镜阵列，还是在显微镜物镜中调整透镜位置，每个微米，甚至纳米，都可能对系统表现产生显著影响。而在实现高精度机械运动的过程中，一个常被忽视但极其关键的功能是用户可编程的虚拟枢轴点，也称为可定义的旋转中心。
在多轴定位系统中，运动通常包括平移（X、Y、Z轴）和旋转（俯仰、偏转和旋转）。每一种旋转动作都是围绕某一固定点进行的——即旋转中心。
在传统机械系统中，这一旋转中心由结构设计所决定，且通常无法更改。当系统接收到旋转指令时，其运动轨迹会围绕该几何中心展开。然而，这一中心往往与光学操作的关键点并不重合，比如光纤端面或透镜焦点，这可能导致不必要的横向位移，从而影响对准过程。
固定枢轴点测角仪原理 WT100电动测角仪
虚拟枢轴点技术的引入，为光学对准带来了突破性的优化。通过软件定义的可编程旋转中心，用户能够将旋转动作聚焦于光学系统中的关键位置，例如光纤端面、透镜焦平面或光子器件的核心区域。
一旦设定了虚拟枢轴点，运动控制器便会自动调整旋转和平移动作，使所有操作都围绕该参考点进行。
这样带来的优势包括：
- 在光学交互点实现纯粹的角位移，避免产生横向移动。
- 简化对准流程，减少每次微调后所需的多轴重新定位。
- 提升对准的重复精度，使算法直接作用于光学中心。
示例：光纤至光子集成电路的对准
在将光纤阵列与光子集成电路（PIC）进行对准的过程中，即使发生亚微米级别的横向位移，也会影响耦合效率。在缺乏可编程枢轴点支持的情况下，调整俯仰或偏转角度会无意中引入横向位移，从而增加对准的复杂性。
而采用支持虚拟枢轴点的六足位移台（并联机构）或多轴堆叠系统（串联结构），则可将旋转中心设定于光纤末端，确保角度调整仅影响光路方向，而不会引起位置偏移。这不仅提升了对准效率，也显著提高了自动化光子学对准的良率。
光学系统设计中的应用优势
- 光束偏转：反射镜或透镜可绕光束的焦点或束腰旋转，确保光路的一致性。
- 显微成像：在物镜倾斜或聚焦时，光轴可以维持在样品表面，避免图像偏移。
- 精密计量：干涉仪或探测器可围绕参考点旋转，从而简化校准。
技术实现方式
PI公司推出的六足位移台、并联运动纳米定位器及PINovAlign模块化对准系统，均集成了内置的运动学模型控制器，能够在后台自动完成所需的坐标转换，用户无需手动计算。
F-141 PInovAlign六自由度光子学对准系统采用紧凑的模块化设计，与PI的六足位移台对准平台类似，均可支持用户可编程枢轴点功能。
当用户指定旋转中心后，控制器会实时调整运动指令以维持该虚拟点的稳定性。该功能也可与快速多通道光子学对准（FMPA）算法结合，实现多自由度的高精度自动对准。
该混合运动学六轴系统基于线性电机驱动的XY位移平台，并由PI的EtherCAT运动控制器驱动。
六轴NanoCube压电陶瓷柔性铰链纳米定位平台搭载PI的E-713高性能压电控制器，同样支持用户可编程枢轴点，适用于高精度光学透镜对准和多自由度定位。
技术的核心价值
用户可编程的虚拟枢轴点不仅是一种提升操作便利性的工具，更是现代光学和光子学系统实现高精度、高速自动化对准的核心技术。通过将旋转动作与平移解耦，工程师可以在光学系统的参考点上灵活控制组件，从而简化对准步骤、减少误差、加快整体流程。
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