测量玻璃样品的分布特征的系统和方法
【专利说明】
[0001] 本申请根据35 U.S.C. § 119要求2012年10月25日提交的美国临时申请S/N 61/718273的优先权益，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整 体结合于此。
技术领域
[0002] 本公开有关于光学地表征玻璃的系统和方法，尤其有关于测量玻璃样品的分布特 征的系统和方法。
【背景技术】
[0003] 离子交换和其他的玻璃强化过程能够在玻璃中创造应力，提升光学双折射性。在 玻璃内形成的压缩和拉伸应力区域能够具有相对较小的深度（例如，10微米）或相对较大 的深度（例如，几个或多个微米）。玻璃零件的应力分布可从对测量光的正交偏振的折射率 分布的测量中推导出，其中两个偏振态的折射率分布差别表示双折射性。应力通过光学应 力系数与双折射性相关。应力的特征（分布）可能非常复杂，并且取决于许多因素，包括基 玻璃材料，玻璃生产过程和下游制造过程。
[0004] 玻璃零件中的应力可被多种外力所改变，包括玻璃零件如何被安装在装置上和玻 璃零件如何被使用。在可靠性和故障模式研宄期间，使用了多种质量控制过程以测试和测 量在穿过边缘的和贯穿玻璃零件的体积的应力上的变化。
[0005] 一种被用于在离子交换、平面光波导中测量折射率和双折射性分布（由此得到应 力）的技术是折射近场（RNF)方法。该RNF方法利用其中参考块与被测玻璃零件接触的系 统。测量光穿过玻璃零件和参考块，并且被非常靠近参考块的顶部安置的光检测器检测。在 美国专利号5280334中公开了 RNF系统的例子。
[0006] 现有技术的RNF系统的问题在于除了检测测量光，光检测器还检测从许多角度和 位置散射的和多重反射的光。散射光可由折射率流体中的缺陷（例如，污染物）、参考块的 表面上的缺陷（例如，次佳清洗残留的灰尘）、RNF系统的光学中或者甚至玻璃样品本身内 的缺陷（例如，气泡和其他"晶粒（seeds)"）引起。如此的散射光可导致玻璃零件的折射 能力的错误测量。
【发明内容】
[0007] 本公开涉及测量玻璃零件（在此被称为"玻璃样品"）的分布特征的RNF系统和 方法。不例分布特征是光的正交偏振的折射率分布、双折射性和应力的分布。系统和方法 运行在毫米数量级的经扩展扫描深度范围内。由于对TE和TM偏振态几乎同时的测量，系 统对于双折射性测量具有低热学敏感性及时间敏感性。这是通过使用偏振转换器而获得， 该偏振转换器在测量光扫描玻璃样品时的每个测量点，快速地（例如，在一或几毫秒内）在 TE和TM偏振之间转换测量光。此转换大大地降低了双折射性测量对光源的光学功率波动 以及对环境中震动的敏感度。它还消除了对精确的和扫描范围限制的定位装置的需求，如 压电扫描器，否则将需要压电扫描器精确地重新定位两个偏振扫描以便实现准确的应力测 量。
[0008] 功率监测参考光检测器与信号光检测器同步地运行，为了执行经偏振转换的参考 和检测器信号的共模信号处理。此同步运行用于从光源中归一化出信号功率的波动以及由 通过偏振转换器传输的功率的偏振依赖性引起的信号变化。通过阻隔不需要的光（例如散 射和多重反射光）到达信号和参考检测器，共焦成像方法也用于降低信号噪声。此信号噪 声的降低使源于玻璃样品的测量点的折射光信号能够被孤立地询查。
[0009] 信号光检测器通常按其光感应表面垂直于并共轴于入射在其上的光束（大约在 (β# - β?,>)/2的角度，且η = 〇;图1)的中心线来放置。当这样放置用于消除高折射 率半导体光检测器在大入射角度使用时表现出的在检测效率上角度和偏振依赖的变化中 的大部分。它同样将入射到信号光检测器的有效角范围减小了二分之一。另外，在此配置 下，光检测器不需要专用防反射涂层以方便大角度检测。
[0010] 第二扇形孔径光阑允许角的方位范围缩小到任何所需角范围。这样降低或消除了 来自主扇形孔径光阑的边缘的不期望衍射效应。第二扇形光阑定义了阻隔圆盘的最小通过 角β ^、。最大通过角β 没有被第二扇形光阑所限制并且依赖于在物镜的焦点处的折射 率。
[0011] 第二孔径光阑放置在参考块的顶部表面的正上方，例如，〇. 6英寸到1. 25英寸的 距离DS处。信号光检测器位于参考块的顶部的轴上，在80毫米到200毫米的范围内。从 样品到其下游的第一透镜的距离由以下要求所限定：接收透镜对的通光孔径必须能够在可 能从最小角、和到最大角的范围的扫描期间接受折射光，而不使通过第二扇形光 阑的任何光产生渐晕。例如具有2英寸直径的透镜，该距离大约小于或等于80毫米。
[0012] 本公开的一方面是执行被设置与具有顶部表面的参考块邻近的玻璃样品的分布 特征的折射近场（RNF)测量的系统。该系统包括产生偏振光的光源系统，以及接收并在第 一和第二正交偏振之间转换偏振光的偏振以形成经偏振转换光束的偏振转换系统。该系统 同样具有参考检测系统，参考检测系统被安排用于接收一部分经偏振转换光束并形成经偏 振转换的参考检测信号。光学系统被配置为以进入玻璃样品的不同深度扫描经偏振转换光 束穿过玻璃样品和参考块。信号检测系统被安排来在相对于正入射的26度到45度的角范 围上接收透射穿过玻璃样品和参考块的经偏振转换光束，并且作为响应形成经偏振转换的 检测信号。信号控制及处理系统被可操作地配置为用于移动参考块和样品以及接收和处理 经偏振转换的参考和检测信号，以便确定玻璃样品的分布特征。
[0013] 本公开的另外一方面是一种测量与具有顶部表面的参考块邻近设置的玻璃样品 的分布特征的方法。该方法包括以进入玻璃样品的不同深度扫描经偏振转换光束穿过玻璃 样品和参考块以定义所透射的经偏振转换光束。该方法还包括测量经偏振转换光束的功率 量以形成经偏振转换的参考信号。该方法进一步包括检测所透射的经偏振转换光束以形成 经偏振转换的检测信号。该方法额外地把经偏振转换检测信号除以经偏振转换参考信号以 定义归一化的经偏振转换检测信号。该方法还包括处理归一化的经偏振转换检测信号以确 定玻璃样品的分布特征。
[0014] 本公开的另外一方面是一种测量与参考块邻近设置的玻璃样品的分布特征的方 法。该方法包括产生以1赫兹到50赫兹的转换率在正交偏振之间转换的经偏振转换光束。 该方法还包括测量经偏振转换光束的功率量以及产生经偏振转换的参考信号，其中，所测 量的每个正交偏振的功率量在彼此的50%内。该方法进一步包括以进入玻璃样品的不同 深度透射经偏振转换光束穿过玻璃样品和参考块。该方法额外地包括用中继光学系统将所 透射的经偏振转换光束中继到信号光检测器，而该信号光检测器产生经偏振转换的检测信 号。该方法还包括将检测信号除以参考信号以形成归一化的检测信号。该方法还包括从归 一化的检测信号确定玻璃样品的分布特性。
[0015] 在以下的详细描述中陈述了附加特征和优点，其中的特征和优点对本领域的技术 人员而言根据所作描述将是显而易见的，或者通过实施包括文字描述、其权利要求书以及 附图所述的实施例可被认识到。
[0016] 应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述都仅仅是示例性的，并旨在提供用 于理解权利要求本质和特性的概观或框架。
【附图说明】
[0017] 包括附图以便用于提供进一步的理解，且附图被结合到本说明书中并构成其一部 分。附图示出一个或多个实施例，并与说明书一起用来解释各实施例的原理和操作。如此， 按照下文中的详细描述，并结合附图，本公开将会被更加全面地理解，其中：
[0018] 图1是根据本公开的示例性RNF测量系统的示意图；
[0019] 图2A是示例共焦孔径的特写、正面图；
[0020] 图2B和2C分别是第一和第二孔径光阑的示例的特写、正面图；
[0021] 图2D是信号检测器的特写侧视图，示出入射在信号光检测器上的聚焦的经偏振 转换光束，其心光线为正入射，并且示出聚焦的经偏振转换光束中的角范围Δ Θ ;
[0022] 图3A是图1的RNF测量系统中安置在显微镜载物片顶上的参考块和玻璃样品的 立视图；
[0023] 图3B是玻璃样品的立视图；
[0024] 图4A和4B是对于硅一空气界面（图4A)及硅与具有1. 5折射率的介质的界面 (图4B)上TE偏振光、TM偏振光和反射率差Λ R = (Rte - RJ的反射率R相对角度（度） 的标绘图；
[0025] 图5Α是当用未充满光检测器的窄准直光束照射时对于高质量功率计，TE偏振（如 +所示）和TM偏振（如〇所示）的功率P ( μ m)相对入射角Θ (度）的标绘图；
[0026] 图5B是基于图5A的TE和TM偏振的所测功率的差Λ P (%)相对角度的标绘图；
[0027] 图6Α标绘了对于具有折射率1. 51的参考块与空气间的界面，反射率R相对于入 射角Θ (度）；
[0028] 图6Β与图6Α相同，但是在界面上有防反射（AR)涂层，该涂层由对波长λ为633 纳米的光优化的915纳米厚的单层MgF 2制成（即AR具有1. 45 λ的厚度）；
[0029] 图7Α是折射率n (RIU)相对进入玻璃样品的深度d ( μ m)的标绘图，其中，玻璃样 品是高质量的离子交换玻璃（100 % KNO3),其对于TE偏振，折射率η (即nTE)由实线所示， 而对于TM偏振，折射率η (即nTM)由虚线所示；
[0030] 图7B与图7A相似，但标绘了如由图7A的双折射数据所计算出的，作为结果的应 力分布σ (MPa)相对于深度（μm);
[0031] 图8A是折射率n (RIU)和应力σ (MPa)相对于进入由两个包层玻璃在芯玻璃每侧 所构成的玻璃样品的深度(1(μπι)的标绘图，折射率分布在标绘图的顶部而应力分布在标 绘图的底部；
[0032] 图8Β与图8Α相同，并且示出在200微米跨度上TE和TM折射率分布的放大以揭 示其共模变化性和所测TM - TE双折射性；以及
[0033] 图9是与图8A相似的标绘图，并且示出在表面具有低折射率层的所测玻璃样品的 折射率分布（标绘图底部）和应力分布（标绘图顶部）。
【具体