測量玻璃樣品的分布特征的系統(tǒng)和方法
【專利說明】
[0001] 本申請根據(jù)35 U.S.C. § 119要求2012年10月25日提交的美國臨時申請S/N 61/718273的優(yōu)先權(quán)益，本申請基于該臨時申請的內(nèi)容并且該臨時申請的內(nèi)容通過引用整 體結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本公開有關(guān)于光學(xué)地表征玻璃的系統(tǒng)和方法，尤其有關(guān)于測量玻璃樣品的分布特 征的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 離子交換和其他的玻璃強(qiáng)化過程能夠在玻璃中創(chuàng)造應(yīng)力，提升光學(xué)雙折射性。在 玻璃內(nèi)形成的壓縮和拉伸應(yīng)力區(qū)域能夠具有相對較小的深度（例如，10微米）或相對較大 的深度（例如，幾個或多個微米）。玻璃零件的應(yīng)力分布可從對測量光的正交偏振的折射率 分布的測量中推導(dǎo)出，其中兩個偏振態(tài)的折射率分布差別表示雙折射性。應(yīng)力通過光學(xué)應(yīng) 力系數(shù)與雙折射性相關(guān)。應(yīng)力的特征（分布）可能非常復(fù)雜，并且取決于許多因素，包括基 玻璃材料，玻璃生產(chǎn)過程和下游制造過程。
[0004] 玻璃零件中的應(yīng)力可被多種外力所改變，包括玻璃零件如何被安裝在裝置上和玻 璃零件如何被使用。在可靠性和故障模式研宄期間，使用了多種質(zhì)量控制過程以測試和測 量在穿過邊緣的和貫穿玻璃零件的體積的應(yīng)力上的變化。
[0005] 一種被用于在離子交換、平面光波導(dǎo)中測量折射率和雙折射性分布（由此得到應(yīng) 力）的技術(shù)是折射近場（RNF)方法。該RNF方法利用其中參考塊與被測玻璃零件接觸的系 統(tǒng)。測量光穿過玻璃零件和參考塊，并且被非?？拷鼌⒖級K的頂部安置的光檢測器檢測。在 美國專利號5280334中公開了 RNF系統(tǒng)的例子。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)的RNF系統(tǒng)的問題在于除了檢測測量光，光檢測器還檢測從許多角度和 位置散射的和多重反射的光。散射光可由折射率流體中的缺陷（例如，污染物）、參考塊的 表面上的缺陷（例如，次佳清洗殘留的灰塵）、RNF系統(tǒng)的光學(xué)中或者甚至玻璃樣品本身內(nèi) 的缺陷（例如，氣泡和其他"晶粒（seeds)"）引起。如此的散射光可導(dǎo)致玻璃零件的折射 能力的錯誤測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本公開涉及測量玻璃零件（在此被稱為"玻璃樣品"）的分布特征的RNF系統(tǒng)和 方法。不例分布特征是光的正交偏振的折射率分布、雙折射性和應(yīng)力的分布。系統(tǒng)和方法 運行在毫米數(shù)量級的經(jīng)擴(kuò)展掃描深度范圍內(nèi)。由于對TE和TM偏振態(tài)幾乎同時的測量，系 統(tǒng)對于雙折射性測量具有低熱學(xué)敏感性及時間敏感性。這是通過使用偏振轉(zhuǎn)換器而獲得， 該偏振轉(zhuǎn)換器在測量光掃描玻璃樣品時的每個測量點，快速地（例如，在一或幾毫秒內(nèi)）在 TE和TM偏振之間轉(zhuǎn)換測量光。此轉(zhuǎn)換大大地降低了雙折射性測量對光源的光學(xué)功率波動 以及對環(huán)境中震動的敏感度。它還消除了對精確的和掃描范圍限制的定位裝置的需求，如 壓電掃描器，否則將需要壓電掃描器精確地重新定位兩個偏振掃描以便實現(xiàn)準(zhǔn)確的應(yīng)力測 量。
[0008] 功率監(jiān)測參考光檢測器與信號光檢測器同步地運行，為了執(zhí)行經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換的參考 和檢測器信號的共模信號處理。此同步運行用于從光源中歸一化出信號功率的波動以及由 通過偏振轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)墓β实钠褚蕾囆砸鸬男盘栕兓Ｍㄟ^阻隔不需要的光（例如散 射和多重反射光）到達(dá)信號和參考檢測器，共焦成像方法也用于降低信號噪聲。此信號噪 聲的降低使源于玻璃樣品的測量點的折射光信號能夠被孤立地詢查。
[0009] 信號光檢測器通常按其光感應(yīng)表面垂直于并共軸于入射在其上的光束（大約在 (β# - β?,>)/2的角度，且η = 〇;圖1)的中心線來放置。當(dāng)這樣放置用于消除高折射 率半導(dǎo)體光檢測器在大入射角度使用時表現(xiàn)出的在檢測效率上角度和偏振依賴的變化中 的大部分。它同樣將入射到信號光檢測器的有效角范圍減小了二分之一。另外，在此配置 下，光檢測器不需要專用防反射涂層以方便大角度檢測。
[0010] 第二扇形孔徑光闌允許角的方位范圍縮小到任何所需角范圍。這樣降低或消除了 來自主扇形孔徑光闌的邊緣的不期望衍射效應(yīng)。第二扇形光闌定義了阻隔圓盤的最小通過 角β ^、。最大通過角β 沒有被第二扇形光闌所限制并且依賴于在物鏡的焦點處的折射 率。
[0011] 第二孔徑光闌放置在參考塊的頂部表面的正上方，例如，〇. 6英寸到1. 25英寸的 距離DS處。信號光檢測器位于參考塊的頂部的軸上，在80毫米到200毫米的范圍內(nèi)。從 樣品到其下游的第一透鏡的距離由以下要求所限定：接收透鏡對的通光孔徑必須能夠在可 能從最小角、和到最大角的范圍的掃描期間接受折射光，而不使通過第二扇形光 闌的任何光產(chǎn)生漸暈。例如具有2英寸直徑的透鏡，該距離大約小于或等于80毫米。
[0012] 本公開的一方面是執(zhí)行被設(shè)置與具有頂部表面的參考塊鄰近的玻璃樣品的分布 特征的折射近場（RNF)測量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括產(chǎn)生偏振光的光源系統(tǒng)，以及接收并在第 一和第二正交偏振之間轉(zhuǎn)換偏振光的偏振以形成經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換光束的偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。該系統(tǒng) 同樣具有參考檢測系統(tǒng)，參考檢測系統(tǒng)被安排用于接收一部分經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換光束并形成經(jīng)偏 振轉(zhuǎn)換的參考檢測信號。光學(xué)系統(tǒng)被配置為以進(jìn)入玻璃樣品的不同深度掃描經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換光 束穿過玻璃樣品和參考塊。信號檢測系統(tǒng)被安排來在相對于正入射的26度到45度的角范 圍上接收透射穿過玻璃樣品和參考塊的經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換光束，并且作為響應(yīng)形成經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換的 檢測信號。信號控制及處理系統(tǒng)被可操作地配置為用于移動參考塊和樣品以及接收和處理 經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換的參考和檢測信號，以便確定玻璃樣品的分布特征。
[0013] 本公開的另外一方面是一種測量與具有頂部表面的參考塊鄰近設(shè)置的玻璃樣品 的分布特征的方法。該方法包括以進(jìn)入玻璃樣品的不同深度掃描經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換光束穿過玻璃 樣品和參考塊以定義所透射的經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換光束。該方法還包括測量經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換光束的功率 量以形成經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換的參考信號。該方法進(jìn)一步包括檢測所透射的經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換光束以形成 經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換的檢測信號。該方法額外地把經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換檢測信號除以經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換參考信號以 定義歸一化的經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換檢測信號。該方法還包括處理歸一化的經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換檢測信號以確 定玻璃樣品的分布特征。
[0014] 本公開的另外一方面是一種測量與參考塊鄰近設(shè)置的玻璃樣品的分布特征的方 法。該方法包括產(chǎn)生以1赫茲到50赫茲的轉(zhuǎn)換率在正交偏振之間轉(zhuǎn)換的經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換光束。 該方法還包括測量經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換光束的功率量以及產(chǎn)生經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換的參考信號，其中，所測 量的每個正交偏振的功率量在彼此的50%內(nèi)。該方法進(jìn)一步包括以進(jìn)入玻璃樣品的不同 深度透射經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換光束穿過玻璃樣品和參考塊。該方法額外地包括用中繼光學(xué)系統(tǒng)將所 透射的經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換光束中繼到信號光檢測器，而該信號光檢測器產(chǎn)生經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換的檢測信 號。該方法還包括將檢測信號除以參考信號以形成歸一化的檢測信號。該方法還包括從歸 一化的檢測信號確定玻璃樣品的分布特性。
[0015] 在以下的詳細(xì)描述中陳述了附加特征和優(yōu)點，其中的特征和優(yōu)點對本領(lǐng)域的技術(shù) 人員而言根據(jù)所作描述將是顯而易見的，或者通過實施包括文字描述、其權(quán)利要求書以及 附圖所述的實施例可被認(rèn)識到。
[0016] 應(yīng)當(dāng)理解的是，以上一般描述和以下詳細(xì)描述都僅僅是示例性的，并旨在提供用 于理解權(quán)利要求本質(zhì)和特性的概觀或框架。
【附圖說明】
[0017] 包括附圖以便用于提供進(jìn)一步的理解，且附圖被結(jié)合到本說明書中并構(gòu)成其一部 分。附圖示出一個或多個實施例，并與說明書一起用來解釋各實施例的原理和操作。如此， 按照下文中的詳細(xì)描述，并結(jié)合附圖，本公開將會被更加全面地理解，其中：
[0018] 圖1是根據(jù)本公開的示例性RNF測量系統(tǒng)的示意圖；
[0019] 圖2A是示例共焦孔徑的特寫、正面圖；
[0020] 圖2B和2C分別是第一和第二孔徑光闌的示例的特寫、正面圖；
[0021] 圖2D是信號檢測器的特寫側(cè)視圖，示出入射在信號光檢測器上的聚焦的經(jīng)偏振 轉(zhuǎn)換光束，其心光線為正入射，并且示出聚焦的經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換光束中的角范圍Δ Θ ;
[0022] 圖3A是圖1的RNF測量系統(tǒng)中安置在顯微鏡載物片頂上的參考塊和玻璃樣品的 立視圖；
[0023] 圖3B是玻璃樣品的立視圖；
[0024] 圖4A和4B是對于硅一空氣界面（圖4A)及硅與具有1. 5折射率的介質(zhì)的界面 (圖4B)上TE偏振光、TM偏振光和反射率差Λ R = (Rte - RJ的反射率R相對角度（度） 的標(biāo)繪圖；
[0025] 圖5Α是當(dāng)用未充滿光檢測器的窄準(zhǔn)直光束照射時對于高質(zhì)量功率計，TE偏振（如 +所示）和TM偏振（如〇所示）的功率P ( μ m)相對入射角Θ (度）的標(biāo)繪圖；
[0026] 圖5B是基于圖5A的TE和TM偏振的所測功率的差Λ P (%)相對角度的標(biāo)繪圖；
[0027] 圖6Α標(biāo)繪了對于具有折射率1. 51的參考塊與空氣間的界面，反射率R相對于入 射角Θ (度）；
[0028] 圖6Β與圖6Α相同，但是在界面上有防反射（AR)涂層，該涂層由對波長λ為633 納米的光優(yōu)化的915納米厚的單層MgF 2制成（即AR具有1. 45 λ的厚度）；
[0029] 圖7Α是折射率n (RIU)相對進(jìn)入玻璃樣品的深度d ( μ m)的標(biāo)繪圖，其中，玻璃樣 品是高質(zhì)量的離子交換玻璃（100 % KNO3),其對于TE偏振，折射率η (即nTE)由實線所示， 而對于TM偏振，折射率η (即nTM)由虛線所示；
[0030] 圖7B與圖7A相似，但標(biāo)繪了如由圖7A的雙折射數(shù)據(jù)所計算出的，作為結(jié)果的應(yīng) 力分布σ (MPa)相對于深度（μm);
[0031] 圖8A是折射率n (RIU)和應(yīng)力σ (MPa)相對于進(jìn)入由兩個包層玻璃在芯玻璃每側(cè) 所構(gòu)成的玻璃樣品的深度(1(μπι)的標(biāo)繪圖，折射率分布在標(biāo)繪圖的頂部而應(yīng)力分布在標(biāo) 繪圖的底部；
[0032] 圖8Β與圖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 示其共模變化性和所測TM - TE雙折射性；以及
[0033] 圖9是與圖8A相似的標(biāo)繪圖，并且示出在表面具有低折射率層的所測玻璃樣品的 折射率分布（標(biāo)繪圖底部）和應(yīng)力分布（標(biāo)繪圖頂部）。
【具體