CN104919301A - 测量玻璃样品的分布特征的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了测量玻璃样品(300)的分布的系统和方法。该方法包括在进入该玻璃样品的不同深度上将经偏振转换光束(112PS)扫描穿过该玻璃样品和参考块(320)以定义所透射的经偏振转换光束。该方法还包括测量该经偏振转换光束中的功率量以形成经偏振转换参考信号(SR)，并且检测该所透射的经偏振转换光束以形成经偏振转换检测信号(SD)。该方法进一步包括用该经偏振转换检测信号除以该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(SN)。处理该归一化的经偏振转换检测信号确定该分布特征。

Description

测量玻璃样品的分布特征的系统和方法

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

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

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。

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究期间，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。

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。

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

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。示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。

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。

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_最大–β_最小)/2的角度，且η＝0；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。

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_最小。最大通过角β_最大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。

第二孔径光阑放置在参考块的顶部表面的正上方，例如，0.6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β_最小和到最大角β_最大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。

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。

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。

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。

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。

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

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：

图1是根据本公开的示例性RNF测量系统的示意图；

图2A是示例共焦孔径的特写、正面图；

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；

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Δθ；

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；

图3B是玻璃样品的立视图；

图4A和4B是对于硅－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ΔR＝(R_TE–R_TM)的反射率R相对角度(度)的标绘图；

图5A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○所示)的功率P(μm)相对入射角θ(度)的标绘图；

图5B是基于图5A的TE和TM偏振的所测功率的差ΔP(％)相对角度的标绘图；

图6A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)；

图6B与图6A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MgF₂制成(即AR具有1.45λ的厚度)；

图7A是折射率n(RIU)相对进入玻璃样品的深度d(μm)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n(即n_TE)由实线所示，而对于TM偏振，折射率n(即n_TM)由虚线所示；

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)；

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d(μm)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；

图8B与图8A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

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)。

具体实施方式

现在详细参照本公开的多种实施例，在附图中示出了这些实施例的示例。将尽可能地在所有附图中使用相同或类似的附图标记来指示相同或类似的部分。这些附图不一定按比例绘制，并且一个本领域的技术人员认识到附图中哪里已经被简化为了示出本公开的关键方面。

下面阐述的权利要求书纳入并作为此详细说明的组成部分。

本文中提到的任何出版物或专利文件的整个公开通过引用结合于此。

为了参考起见在一些附图中显示了笛卡尔坐标，但是笛卡尔坐标不旨在对方向或取向的限制。

图1是根据本公开的示例性RNF测量系统(“系统”)100的示意图。所述系统100被配置以确定玻璃样品的特性。所述特征可以是光的正交偏振的折射率分布、双折射性或者应力的分布。全部三个分布特征是相关的。

所述系统100包括光源系统130。所述光源系统130包括沿着第一光轴A1发射光112的光源110。示例光源110是运行在637纳米的标称波长的单模、带尾纤的激光器。光源系统130还包括具有输入端122和输出端124的偏振控制器120。光源110与偏振控制器120的输入端122光学耦合。偏振控制器120接收来自光源110的光112并输出偏振光120P。示例性偏振控制器120是基于光纤的，并且包括一段缠绕在多个光纤桨(paddle)128上的单模光纤126，该光纤桨在光纤中诱导应力双折射以创建所需输出偏振。

光源系统130还包括准直透镜132。偏振控制器120在其输出端124与准直透镜132光学耦合。准直透镜132被配置以接收由偏振控制器120的单模光纤126发出的发散的偏振光120P，并且形成准直的、自由空间偏振光束112P，其在示例中具有通常圆形的截面形状。准直透镜132可包括一个或更多透镜元件或者其他类型的光学元件，比如反射元件。

系统100还包括偏振转换器140，该偏振转换器沿着轴A1位于准直透镜132下游，从而接收准直的偏振光束112P。偏振转换器140可操作地被连接至偏振转换控制器146并被其驱动，该偏振转换控制器在一个示例中以高达1千赫兹的转换率运行，但在另一个示例中运行在1赫兹到50赫兹之间。偏振转换器140和偏振转换控制器146组成了偏振转换系统。在示例中，偏振转换器140是以可变延迟器的形式，如液晶可变延迟器。可采用其他形式的已知偏振转换器，如基于光纤的转换器、电光转换器以及机械可旋转偏振器。

偏振转换器140由偏振转换控制器146驱动，以在TE和TM偏振(即垂直的和水平的偏振)112V和112H之间来回地转换偏振光束112P的偏振态。偏振光束112P因此被转变为经偏振转换光束112PS。偏振转换器140的示例转换时间在1毫秒和100毫秒之间，示例性转换时间为大约1毫秒。在示例中，偏振光束112P作为TE或TM偏振光离开偏振控制器120，并且当激活时，偏振转换器140将偏振光束112P转换为另一个偏振，即转换为经偏振转换光束112PS。

系统100进一步包括沿着轴A1和在偏振转换器140下游的分束元件150。示例分束元件150是非常薄的，例如无涂层薄膜。分束元件150被配置成沿着第二光轴A2反射经偏振转换光束112PS的相对较小部分(“反射光部分”)112R。在示例中，反射光部分112R达到经偏振转换光束112PS的50％，但在其他示例中，反射小于经偏振转换光束的20％或小于10％，示例性量是8％。

在示例中，第二光轴A2与第一光轴A1有相对较小的角，即偏振光束112PS几近正入射在分束元件150上。这样有助于确保来自分束元件150的TE和TM偏振态的反射是大约一样的。这是因为随着角度增大，TM和TE光的反射系数的差变化很大。薄的分束元件150具有来自在其两个表面之间的多重反射的虚反射偏移忽略不计的益处。

沿着第二光轴A2安置的参考检测系统160在示例中包括，沿着第二光轴依次为，焦距为f1的聚焦透镜162、距聚焦透镜距离f1安置的共焦孔径164以及具有光敏表面168的参考光检测器166。参考检测系统160被配置来接收和检测被分束元件150反射以沿着光轴A2行进的经偏振转换反射光部分112R。在示例中，聚焦透镜162是消色差的。

图2A是示例共焦孔径164的特写、正面图。共焦孔径164具有小的轴上开口165。第二光轴A2和参考检测系统160定义了系统100的参考臂170。参考光检测器166响应于接收到反射的经偏振转换光部分112R，产生经偏振转换参考信号SR。

系统100还包括沿着第一光轴A1在分束元件150下游放置的光转向部件180。光转向部件180定义了在示例中与第一光轴A1成直角的第三光轴A3。示例光转向部件180是具有反射表面182的镜子。光转向部件180用于反射经偏振转换光束112PS，以使光束沿着第三光轴A3行进。

系统100还包括在光转向部件180下游并沿着第三光轴A3放置的第一扇形孔径光阑200。.图2B是示例第一孔径光阑200的特写、正面图。第一孔径光阑200具有离轴的第一契形开口202(见图2B)。第一开口202被配置成从经偏振转换光束112PS形成契形经偏振转换光束112W。第一开口202被配置成仅让部分的经偏振转换光束112PS通过，该部分具有潜力来经由穿过测量区域并离开参考块320顶部表面的首次通过折射，跟随轨道到达信号检测器430(在下文中介绍和讨论信号检测器及参考块320)。

任何首次通过时未从参考块320的顶部322折射出的光112PS必须被限定了契形开口202的不透明区域所阻挡。示例契形开口202具有顶点204和相关联的角η，角η在示例中可调节，例如在0°和90°之间，从而透射的契形偏振光束112W的截面形状能被调节。契形开口202的顶点204沿第三光轴A3定位。

系统100沿着第三光轴A3以及在第一扇形孔径光阑200的下游还包括物镜220和由在X、Y和Z方向(即三维)上可移动的定位台240支撑的可移动支撑平台230。定位台240与台控制器244可操作地连接。因此，定位台240可操作地在三个维度上移动支撑平台

示例物镜220是中心定位成与第三光轴和第一扇形孔径光阑200的顶点204同轴的显微镜物镜。支撑平台230具有支撑具有顶部和底部表面252和254的盖片250的上表面232。支撑平台230具有孔径236，穿过第一扇形孔径光阑200的经偏振转换光束112PS能够穿过该孔径并且之后穿过盖片250。物镜220因盖片250的存在被修正。

系统100还包括玻璃样品300。玻璃样品300与参考块320一起由盖片250支撑。图3A是放置在盖片250的顶部表面252上的玻璃样品300与参考块320的特写、立视图。图3B是仅玻璃样品300的特写、立视图。玻璃样品300具有边缘表面304、前部表面306和后部表面308。玻璃边缘表面304面对着盖片250的顶部表面252。

参考块320具有前述的顶部表面322和前部表面324。参考块320和玻璃样品300被安置以使参考块320的前部表面324面对着玻璃样品的后部表面308。要测量的光学参数沿着X方向有梯度。

在X-Y平面测量玻璃边缘表面304。玻璃边缘表面304的扫描测量能够作为位置的函数来进行。玻璃样品300在X－方向上具有通常小于几毫米的厚度th。在示例中，玻璃边缘表面304被处理，例如，被切割和/或被抛光，以揭露沿着边缘304从后部表面308延伸至前部表面306的应力分布的深度。

能够在几毫米的距离上的各种位置上进行单个或多个光栅扫描。极角β和方位角η如图3A所示，示例极限为β_最小,β_最大以及η_最小,η_最大。参考块320在Z方向上厚度为TH。厚度TH的示例范围在5毫米和20毫米之间，8毫米是在该范围内的示例性厚度。

在示例实施例中，折射率匹配油330用于确保盖片250、玻璃样品300的边缘表面304、该玻璃样品的后部表面308和参考块320的前部表面324之间的低反射光学耦合。盖片底部表面254和参考块顶部表面322可各自选择性地涂布偏振无关的、角度无关的防反射(AR)涂层326(如虚线边界所示)以最小化对偏振及入射角的范围的反射率变化。

经偏振转换光束112PS离轴穿过第一扇形孔径光阑200的契形开口202，所得的契形经偏振转换光束进入中心在第三光轴A3上的物镜220。经偏振转换光束112PS的宽度使得该经偏振转换光束充满物镜220的输入通光孔径(未示出)此充满确保了仅经偏振转换光束112PS的最强的和大致均匀的基本上高斯中心部分作为聚焦束聚焦在玻璃样品300的边缘表面304上。

此充满还帮助减少或消除了来自契形开口202的外部圆形部分的任何不利的衍射效应。因为经偏振转换光束112PS从相对于第三光轴A3的离轴位置进入物镜220，该物镜形成了经偏振转换、第一聚焦的光束112F1。

系统100还包括在物镜220的焦点位置与第三光轴A3相交的第四光轴A4，该焦点位置位于玻璃样品300的边缘表面304。信号检测系统400被可操作地沿着第四光轴A4安置。示例信号检测系统400包括，沿着第四光轴A4依次为，延迟光学系统410、具有在轴开口422的共焦可变孔径420以及具有光敏表面432的信号光检测器430。在示例中，延迟光学系统410是消色差的。示例消色差的延迟光学系统410如图1所示，包括一对透镜元件412a和412b。在示例中，每个透镜元件412a和412b具有焦距f2(例如，f2＝80毫米)并包括防反射涂层。透镜元件412a和412b的示例直径(通光孔径)大约为2英寸。

在延迟光学系统410的示例双透镜实施例中，第一透镜412a位于与轴A4、A3、焦点位置260和玻璃边缘表面304相交处相距焦距f2处。该第一透镜412a接收并准直经偏振转换聚焦光束112F1以形成准直的光束112C1而无渐晕。该第二透镜元件412b被安置从而接收准直的光束112C1并再聚焦该光束以形成第二经偏振转换聚焦光束112F2。该第二经偏振转换聚焦光束112F2穿过共焦可变孔径420并被信号光检测器430所接收和检测。作为响应，信号光检测器430产生经偏振转换检测信号SD。在示例中，信号光检测器430被置于稍微超过第二透镜元件412b的焦点处。

系统100还包括在参考块320和玻璃样品300的下游并沿着第三光轴A3的第二扇形孔径光阑360。图2C是示例第二扇形孔径光阑360的特写、正面图。第二扇形孔径光阑360包括从光阑的中心偏移的第二开口362，其方位通过角范围可以被固定或可手动地调节。示例第二扇形孔径光阑360具有弓形的形状。第四轴A4名义上穿过第二弓形开口362的中心。

在示例中，第二扇形孔径光阑360包括两个半圆形可移动部分364和中心圆盘366。中心固定部件368保护半圆形部分364以使它们能够旋转以打开和关闭第二开口362(如粗体箭头所示)同时保持开口边缘369在所有角位置上径向地导向光束的第三光轴A3。

第一扇形孔径光阑200、物镜220、可移动支撑平台230、盖片250、定位台240以及第二扇形孔径光阑360组成了扫描光学系统270。

在示例中，第二开口362具有前述的弓形形状，该弓形形状具有36°(+/–18°)的相关联的标称方位通带角和26°的最小极通过角β_最小。在示例中，第二开口362具有比第一扇形孔径光阑200的第一开口202更小的面积。此配置用于阻挡从穿过第一扇形孔径光阑200的契形开口202的边缘的经偏振转换光束112PS的相互作用所引起的衍射光。如此的衍射光能够不利地影响测量。离开物镜220并沿着第四光轴A4传输的经偏振转换聚焦光束112F1穿过可移动支撑平台230的孔径236、穿过盖片250，到达玻璃样品300的玻璃边缘表面304。要测量的折射率分布位于沿着玻璃边缘表面304的平面。

在焦点之后，经偏振转换聚焦光束112F1发散并继续穿过参考块320的前部表面324，离开顶部表面322。部分经偏振转换聚焦光束112F1接着穿过第二扇形孔径光阑360的第二开口362。

以小于β_最小的极角传播的部分经偏振转换聚焦光束112F1被阻挡，而以大于β_最小的角度传播的部分通向信号光检测器430。因此，如果在玻璃边缘表面304的折射率减小，那么来自经偏振转换聚焦光束112F1的光线的折射角增大并且更多的原本被阻挡的光功率现在会超过最小极角β_最小。这导致了信号检测器430上的光功率增大。相反地，如果在玻璃边缘表面304的折射率增加，那么来自聚焦光束112F1的光线的折射角减小并且更少的光功率会超过最小极角β_最小而被第二孔径光阑360所阻挡。这导致了信号检测器430上的光功率降低。

第二扇形孔径光阑360被安置在离参考块320的顶部表面322距离DS处。在示例中，距离DS是在8.5毫米至37.5毫米的范围内。然而，距离DS能够使高度H达3英寸的样品能被安置在盖片250和第二扇形孔径光阑360之间，其中的限制由与第一透镜元件412a相交的孔径光阑的实例所限定。

能够是可调节可变光阑的共焦可变孔径420被放置在中继光学系统410的焦点上(例如，第二透镜元件412b之后距离f2处)以建立共焦信号检测装置。注意，参考检测系统160还具有共焦检测装置，但仅有一个聚焦透镜162，因为来自分束元件150的经偏振转换反射光束部分112R已经被准直了。信号检测系统400和第四光轴A4限定了系统100的信号臂470。

在示例中，共焦孔径164的在轴开口165能够被缩小到大约1毫米的直径上或甚至更小。信号检测系统400的共焦检测装置，与来自样品测量区域的位置的信号光检测器430的大偏移距离(例如大约200mm)相结合，用于防止来自测量区域的大多数任何不需要的散射及反射光到达参考光检测器166和信号光检测器430。这样用于消除由于散射光和/或反射光的测量误差。

对于所有光检测器的共同问题是光检测器的效率随光检测器的面而变化。通常，光检测器越大，检测均匀性跨面而变化越大。在高质量光检测器中，1cm²上检测均匀性的变化是大约±2％。这些均匀性变化向相对于折射角的所测光功率引入误差，并且因此造成所测折射率的缩放中的误差

原则上，通过校准处理，这些类型的固有检测误差能够被减少或消除。此校准步骤可包括扫描已知折射率分布的玻璃样品，然后重新映射所测样品数据以改善准确性。然而，最期望通过保持检测器的照明面积尽可能地小以避免这额外的步骤。

图4A是对于硅基光检测器上存在的空气与硅之间的界面，左侧轴上的反射率R和右侧轴上的ΔR＝R_TE–R_TM相关于入射角的标绘图。图4B是相同类型的标绘图，但是对于硅与具有1.5的折射率的介质(例如，折射率匹配油或玻璃)之间的界面。TE反射率R_TE由虚线所示，TM反射率R_TM由点划线所示以及TE和TM反射率之差ΔR由实线所示。能够从图4A和4B看出，低入射角具有低的ΔR值，所以对于入射在硅基光检测器上的光，这样是优选的。为了此目的，并且参考图2D，信号光检测器430沿着第四光轴A4被安置从而对于在聚焦光束的范围Δθ内的所有入射角θ，聚焦光束112F2的中心光线112C几乎垂直地入射到信号光检测器。

此外，入射在信号光检测器430上的入射角β的极角范围Δβ从通常与现有技术系统关联的12°被减半到大约6°，因为入射角关于表面法线被分为正角与负角。这样降低了所测TE和TM功率之间的最大差，从超过3.1％降到大约0.25％，这是大约12倍的改进。在方位范围Δη中，入射角η从通常与现有技术关联的±45°降低至±18°。

图5A是对于用未充满光检测器430的窄准直光光束照射的高质量功率计，TE偏振(如+所示)和TM偏振(如○所示)的功率P(μm)相对于入射角θ(度)的标绘图。计算机控制的液晶可变延迟器用于在TE和TM偏振态之间在每个角度多次调制入射光。因为角被手动旋转，入射角θ在图上被示出在功率电平之上和之下。

图5B是基于图5A，TE和TM偏振的所测功率的差ΔP(％)相对于角的标绘图。ΔP在+/–24°的范围上从最小到最大的差大约在3.1％。发生在零度的从液晶偏振旋转元件背向反射出的伪像由图5A中的箭头AR1所示。此伪像改变了功率电平，但对如预期的正入射光，它没有影响功率差ΔP。

在降低TM和TE功率偏差中计算出的改进能被从图4A、4B、5A和5B的标绘图中估算出。例如，相对于图4A，ΔR从45°的25.0％下降至18°的3.6％，这是6.9倍的改进。

可调节方位带通Δη允许使用者降低角的方位通带范围以便减小检测效率中的偏振差别。在实例中，聚焦透镜162的焦距f1和中继光学系统410的焦距f2相对较长(例如，75毫米到80毫米)从而聚焦弓形光112A在信号光检测器430的入射角是相对较小的。这用于最小化检测臂和参考臂中的偏振及角相关效率误差。

可调节第二孔径光阑360的另一优点是弓形开口362能够在方位角方向Δη上被关闭以确保折射光没有超过中继光学系统410的通光孔径。

在示例中，中继光学系统410具有1X放大率。然而，可使用其他放大率以进一步降低在信号光检测器430上的入射角，并且因此进一步降低角测量误差及偏振测量误差。参考检测系统160的共焦装置和信号检测器系统400有助于限制到达参考光检测器166及信号光检测器430的杂散光的量。在替代实施例中，信号光检测器430和/或参考光检测器166是小面积检测器(例如，1mmx 1mm)，并且没有使用共焦孔径。

由上所述，AR涂层326可被施加在参考块320的顶部表面322上。图6A标绘了对于具有1.51折射率的参考块320与空气间的界面，反射率R相对于入射角θ(度)的变化。图6B是与图6A相同的标绘图，但是AR涂层326由对波长λ为633纳米的光优化的915纳米厚的单层MgF₂制成(即1.45λ)。TE反射率由虚线所示，而TM反射率被测量为点划线。TE－TM反射率差ΔR由实线所示，ΔR轴示在标绘图的右侧。箭头AR2示出在16°至24°之间的入射角范围Δθ，这对于光束从参考块320内部折射进入空气时是典型的。

在参考块320的顶部表面322上的标准四分之一波长、MgF₂AR涂层326能减小在角跨度上内部偏振反射差。然而，双折射性测量的目标是最终在整个角范围上尽可能减小角反射差及偏振反射差。图6A中，反射率R在角范围Δθ上变化了3.5％。然而，通过对1.45λ厚度的MgF₂AR涂层326的使用，ΔR在角范围Δθ上的变化被降低超过4X，至0.8％。通过对比，标准四分之一波长AR涂层326在相同的角范围上可实现仅2X降低，至1.6％。

再参考图1，系统100包括与信号光检测器430及参考光检测器166电连接的双信道功率计500。双信道功率计500还与主触发控制器510电连接，该主触发控制器还与偏振转换控制器146电连接。系统100还包括主计算机控制器550，该主计算机控制器可操作地连接至定位台控制器244、双信道功率计500和主触发控制器510。

在示例中，主计算机控制器550包括处理器552和存储器单元(“存储器”)554，被配置为执行存储在固件和/或软件中的指令，包括信号处理指令以执行本文所公开的测量。在示例中，术语“控制器”和“计算机”是可以互换的。

主计算机控制器550是可编程的以执行本文所述的功能，包括系统100的运行和表面应力、折射率分布和/或双折射性的测量。如本文中所使用，术语“计算机”不仅仅限于在本领域被称为计算机的那些集成电路，而宽泛地指代计算机、处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路以及其它可编程电路，且这些术语在本文中可互换地使用。

软件可实现或有助于如本文中所公开的系统100的操作的执行。软件可被可操作地安装进控制器550内，尤其是在处理器552和存储器554内。软件功能可涉及包括可执行代码的编程，并且这些功能可被用于实现本文中所公开的方法。可由通用计算机或处理器552执行这些软件代码。

主计算机控制器550、双信道功率计500和主触发控制器510构成信号控制和处理系统570的示例，如虚线框所示。主计算机控制器550还可包括偏振转换控制器146和台控制器244。

在示例中，光源110发射连续波(CW)光束112。然而，在另一示例中，使用系统100在玻璃样品300的测量期间，光束112可被脉冲化和控制。在一个示例中，通过主计算机控制器550向光源发送使光源发射光112的光源控制信号S1激活光源110。替代地，可手动地激活光源110。

控制器550向台控制器244发送台控制信号S2，作为响应该台控制器在测量过程期间控制定位台240的运动。在示例中，定位台240的运动用于通过聚焦契形偏振光束112W扫描可移动支撑平台230，因此在玻璃样品300的整个玻璃边缘表面304上移动焦点。

在每个位置，控制器550然后向主触发控制器510发送控制信号S3，主触发控制器通过相应的控制信号S4和S5同步双信道功率计500和偏振转换控制器146的运行，从而系统10知道在给定的时间哪个偏振(TE或TM)正被测量。在示例中，双信道功率计500使用1kHz低通滤波器(未示出)以在kHz及更高的频率范围内平均功率变化。低通滤波器有意地被设置为等于偏振转换控制器146的最快转换率(1kHz)。这确保高频信号的最大平均同时仍然使双信道功率计500能够在偏振态被转换后的最短时间内快速地响应偏振态特定信号和参考光功率。

在偏振被转换的时间和双信道功率计500被触发以取样读数的时间之间强加20毫秒到100毫秒的延时。此延时确保了偏振已被转换，并且确保了双信道功率计500的响应已稳定到准确地读出与测量的当前偏振态相关联的光功率强加此延时限制了最大扫描率大约在每秒10至50次测量。

由信号光检测器430所测的功率体现为电经偏振转换检测信号SD以及由参考光检测器166在反射光束部分112R所测的功率体现为电经偏振转换参考信号SR。电经偏振转换检测信号SD和电经偏振转换参考信号SR被发送至双信道功率计500，该双信道功率计对每个偏振将电经偏振转换检测信号除以电经偏振转换参考信号。这样从光源110中归一化出任何时间功率变化，以及归一化出通过偏振转换器140的任何偏振依赖透射率差异。所得的归一化经偏振转换信号SN从双信道功率计500被发送至主计算机控制器550以供处理。

利用采样和保持型方法来触发双信道功率计的主触发控制器510，电经偏振转换参考信号SR和电经偏振转换检测信号SD两者被同时地读出。此方法具有允许检测信号信道及参考信号信道的亚毫秒采样的优点，这减小了因热力学漂移产生的误差、扫描系统中的振动误差、高频激光功率振荡、低频功率漂移以及可削弱折射率、双折射性与应力测量准确性的许多其他时间依赖误差。

由于参考和检测信号SR和SD是经偏振转换信号，归一化的经偏振转换信号SN包含关于TE和TM偏振两者的折射率分布的信息。使用本领域已知的技术，基于体现在归一化经偏振转换信号SN中的数据，由控制器550计算每个偏振的折射率分布。

在示例中，测量扫描延伸到玻璃样品300的外部以包括已精确知道折射率的两个参考区域。期望这两个区域由均匀的、各向同性的非双折射介质构成。在示例中，两个区域是参考玻璃块320的一部分和折射率匹配油330的一部分。两个参考区域的折射率(n₁和n₂)应该接近，但轻微地彼此不同。缩放因子M对每个偏振态把所测功率变换为折射率。当〔每个偏振态是？〕扫描那些参考区域时，缩放因子M由两点校准过程所确定，该校准过程取所测两个参考扫描区域的折射率中的差异与所测光功率比值(信号功率P_1,sig/参考功率P_2,ref)中的差异之比：

M＝(n₁-n₂)/(P_1,sig/P_1,ref-P_2,sig/P_2,ref).[公式.1]

在扫描这些参考区域时，每个偏振态具有略微不同的透射光功率，并且因此折射率对归一化功率的归一化应该对每个偏振态单独地执行，导致对每个分布有不同的缩放因子(M_TE和M_TM)。TE和TM折射率分布n_TE和n_TM的差异定义了玻璃样品300中双折射性(分布)的量B＝Δn。由关系式σ＝B/SOC，玻璃样品中应力(分布)σ的计算通过应力光学系数SOC与双折射性B相关。

在其更通常的形式中，应力σ和双折射性B是3x3的张量且通过第四阶应力光学张量与彼此相关对于具有应力对称性的玻璃样品300，如果入射在该样品上的测量光的偏振小心地被控制，在应力光学张量的系数中可以有许多简并和零。在一些情况下，应力光学张量的某些非零系数与其他系数相比较时是微不足道的且能够忽略。因此，由于其涉及样品和光学询问方法而能够在应力光学张量里进行的几何对称和简化，通过双折射性测量来测量应力分布σ的原本难以处理的问题就会容易被处理。

尤其，假设玻璃样品300中的应力对称并且波传播(K向量)与偏振正好在应力的主平面内取向，许多应力光学张量分量是零、非常小和/或是简并的。在此情况下，当被电磁场方程乘出时，应力光学张量将简化为具有单个应力系数数字(即应力光学系数SOC)的表达式，该表达式通过上述关系式σ＝B/SOC把局部双折射性与玻璃中应力相关联。

应力光学系数SOC对于每种玻璃成分是独特的。然而，对于大多数玻璃，大小在每兆帕(Mpa)2.5x10^–6到3.5x10^–6的双折射折射率单位(RIU)的范围内。对于给定3.0x10^–6双折射(RIU/Mpa)的标称应力光学系数SOC，下表1示出与双折射准确度或分辨率的多量级相关联的可达到的应力测量准确度或分辨率。

系统100的优点是它能够使用玻璃样品300的较不精确的定位控制，因为没有必要连续地获取TE和TM扫描来测量样品中的应力。TE和TM测量几乎同时地发生(即，在彼此大约10到50毫秒之内)并在精确地相同的位置上。使用在一个偏振态首先测量且然后返回在另一个偏振态测量的方法需要使用非常精确的和可重复的定位方法和装置，比如一个包括压电定位器的方法和装置。

通常，压电定位器将限制扫描上限在500微米的最大值内，这对于测量许多类型的应力加强玻璃产品是没用的。如果两个偏振扫描被顺序地执行而不是同时地，热漂移和其他时间依赖误差也会更大。

同样被观察到，在给定位置对每个偏振态，以100ms的短暂间隔积分所测光功率导致了双折射性和应力分布中更多的噪音而不是如预料那样更少。这归因于如下事实：积分每个偏振态的功率也在两个偏振态的信号功率的测量之间产生时间上的更大分离，这减少了本文所公开的测量系统及方法的共模抑制优点。

图7A是折射率n(RIU)相对于进入玻璃样品300的深度d(μm)的标绘图，其中，玻璃样品是高质量离子交换玻璃(例如100％KNO₃盐浴)。在1600μm的距离上执行扫描，并且玻璃样品300厚度为1326μm。TE偏振的折射率n(即n_TE)由实线所示，而TM偏振的折射率(即n_TM)由虚线所示。因此，图7A包括了双折射性数据且事实上是双折射性分布B的标绘图。

图7B与图7A相同，但标绘了由图7A的双折射性分布所计算出的所得应力分布(即σ(MPa)相对于对深度(μm))；

图7A和7B的标绘图包括六个区域，用1到6表示。区域1是空气并不感兴趣。区域2是空气-样品界面上的油弯月面并不感兴趣。区域3是在玻璃样品300两侧的高折射率/高压缩、离子交换区域。区域4是处于张力之下的基(块)玻璃区域。区域5是玻璃样品300与参考块320之间的油层。区域6是参考块320。

图8A是折射率n(RIU)和应力σ(MPa)相对于进入由在芯玻璃两侧的两个包层玻璃构成的玻璃样品300的深度d(μm)的标绘图并且跨度2500微米。图8B与图8A相同，但示出在200微米跨度上折射率分布的放大以更好地揭示所测双折射性以及示出共模变化性。

即使层状玻璃样品300有很多晶粒(气泡)，仍可做应力测量。在图8A中，TE和TM折射率分布彼此交叠且是几乎不可辩的；它们在图8B的特写图中更好地被看到。所计算的应力分布σ在标绘图的底部。标识了以下区域1至6：区域1是空气；区域2是空气-样品界面上的油弯月面；区域3是在低折射率芯两侧的高折射率包层玻璃，该低折射率芯由区域4标识；区域5是玻璃样品300与参考块320之间的油层；区域6是参考块320。

图8A和8B中的数据随着扫描位置升高(即随着深度d降低)向低折射率倾斜。这是因为当扫描进入样品内，由于减小穿过样品300的光学路径长度，到达信号光检测器430的光功率的量随着深度d减小而增加。因为RNF测量把高光功率与低折射率相关联，由于路径-长度相关的散射而产生光功率的损失在折射率分布上显示为负斜率。

然而，在双折射分布中消除了该斜率效应，因为它就是两个正交偏振的折射率分布之间的差别。这不仅允许具有光学不均匀性的玻璃样品300中双折射性分布与应力分布的准确测量，且还由此数据集确定了穿过玻璃样品的透射损失分布。

图8B的标绘图中所示的折射率数据的特写图示出为什么双折射性分辨率比折射率分辨率要更好。在两个偏振上和在样品中相同的位置上几乎同时地获取折射率数据允许显著的共模信号抑制，在现有示例中，这归因于玻璃样品300本身的不均匀性。

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300的折射率分布(标绘图的底部)和应力分布(标绘图的顶部)。此类玻璃样品300不能使用棱镜－耦合技术来测量，因为在玻璃样品的表面区域内，低折射率表面层不能支持任何波导模式。

被测的玻璃样品300是经受过离子交换过程的高浓度含锂玻璃。对于大多数的扫描，TE和TM折射率分布通常彼此交叠，但靠近表面在位置1650μm处是可辨的。标识了以下区域1至6：区域1是低折射率表面层；区域2是具有张力的区域；区域3是压缩的离子交换区域；区域4是折射率匹配油，152-μm盖片用作垫片以创造折射率匹配流体的迷你单元；区域5是参考块320。

系统100的长扫描能力，与测量的低偏振敏感度相结合，使得有可能在样品内几毫米的距离上在两个维度上测量折射率、双折射性与应力分布。

系统100的另外一个优点是，既然能够测量玻璃样品300的两侧，有可能使用仅一次扫描就测量了两侧经不同表面处理的零件。每侧可与另一侧相对比而不需要翻转玻璃样品300来做第二次测量。

另外，如果玻璃样品300的一侧在表面上是不透明的、是散射的或具有异常高折射率，仍可能获得折射率、双折射性与应力数据。可以远离参考块320放置欠完美的表面(这样它就与空气接触)并且完整地扫描玻璃样品300。虽然不透明的、散射的或高折射率层可能是不可被测量的，下层的基质是可测量的。因为应力通过力平衡贯穿零件传递，可通过分析可测的其余的样品推断出玻璃样品300的不可测区域所给予的应力。

系统100的高分辨率折射率、双折射性与应力测量能力能够在各种成分的和各种制造过程的各种各样的玻璃上做新型的测量。本质上任何折射率分布的玻璃能被测量应力，只要它们足够地透明。其他现有技术的测量技术要么不能测量，要么难以测量在表面具有低折射率层的玻璃。相反，本文中公开的系统和方法容忍一些因晶粒和其他缺陷产生的玻璃样品中的不均匀性。也能测量非常厚的样品。

1-sigma、标准偏差、折射率的分辨率在示例系统100中在100微米的距离上被测为Δn＝5x10^–5RIU。在标准参考材料中，双折射性分辨率的1-sigma标准偏差对示例系统100在100毫米的扫描距离上被测为Δn＝1.4*10^–5RIU，这比折射率分辨率要好3.6倍并且等同于对于标准的、离子交换的玻璃大约4.6MPa的应力分辨率。

双折射性分辨率要比折射率分辨率要好，因为在两个偏振上几乎同时地且在玻璃样品300中相同的位置上获取折射率数据允许显著的、共模信号抑制。穿过许多类型的应力加强玻璃样品300的整个厚度以1.0到1.5微米的空间分辨率实现长达2.5毫米的扫描。

仅通过向上缩放系统100的组件及玻璃样品300的尺寸，就能实现更长距离扫描。

对于本领域的技术人员明显地可对本文所述公开的优选实施例进行修改而不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神或范围。因此，本公开涵盖修改和变形，只要它们落入所附权利要求与其等效物的范围之内。

Claims (20)

1.一种执行玻璃样品的分布特征的折射近场(RNF)测量的系统，所述玻璃样品被设置与具有顶部表面的参考块邻近，所述系统包括：

产生偏振光的光源系统；

接收并在第一和第二正交偏振之间转换所述偏振光的所述偏振以形成经偏振转换光束的偏振转换系统；

被安排来接收所述经偏振转换光束的一部分并形成偏振转换参考检测信号的参考检测系统；

被配置为以进入所述玻璃样品的不同深度将所述经偏振转换光束扫描穿过所述玻璃样品和所述参考块的光学系统；

信号检测系统，被安排为在相对于正入射的26度到45度的角范围内，接收透射穿过所述玻璃样品和所述参考块的所述经偏振转换光束，并且作为响应形成经偏振转换检测信号。

信号控制及处理系统，可操作地被配置为移动参考块和样品，并且接收和处理所述经偏振转换参考与检测信号以确定所述玻璃样品的分布特征。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述参考检测系统包括可操作地被设置为紧邻参考光检测器的第一共焦孔径；以及

所述信号检测系统包括可操作地被设置为紧邻信号光检测器的第一共焦孔径。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号检测系统具有位于距离所述参考块的所述顶部表面80mm到200mm之间的轴距离的信号光检测器。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号控制及处理系统包括：

计算机控制器；

双信道功率计，可操作地连接至所述计算机控制器、所述信号检测系统和所述参考检测系统；以及

主触发控制器，可操作地连接至所述计算机控制器、所述双信道功率计和所述偏振转换系统。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学系统包括：

具有第一离轴孔径的第一孔径光阑；

物镜；

支撑所述参考块及玻璃样品的支撑平台；

定位台，可操作地连接至所述支撑平台并且可操作地在三个维度上移动所述支撑平台；以及

具有可调节尺寸的第二离轴孔径的第二孔径光阑。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一离轴孔径具有契形形状以及所述第二离轴孔径具有弓形形状。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检测光学系统包括信号光检测器、共焦孔径、以及中继光学系统，其中，所述中继光学系统接收并准直透射穿过所述玻璃样品及参考块的所述经偏振转换光束以及形成穿过所述共焦孔径以及入射在所述信号光检测器的光敏表面上的聚焦经偏振转换光束。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述偏振转换系统包括与偏振转换控制器可操作地连接的液晶可变延迟器。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述偏振转换系统以10Hz到50Hz之间的最大转换率转换所述经偏振转换光束的所述偏振。

10.一种测量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方法，包括：

以进入所述玻璃样品的不同深度将经偏振转换光束扫描穿过所述玻璃样品和所述参考块以定义所透射的经偏振转换光束；

测量所述经偏振转换光束中的功率的量以形成偏振转换参考信号；

检测所述透射经偏振转换光束以形成经偏振转换检测信号；

用所述经偏振转换检测信号除以所述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；以及

处理所述归一化的经偏振转换检测信号以确定所述玻璃样品的所述分布特征。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述参考块具有顶部表面，并且其中，检测所述透射经偏振转换光束包括在信号光检测器处接收所述透射经偏振转换光束，其中，所述信号光检测器位于距离所述参考块的所述顶部80mm到200mm之间的轴距离处。

12.如权利要求10所述的方法，包括把所述透射经偏振转换光束聚焦在所述信号光检测器上。

13.如权利要求11所述的方法，包括使所述透射经偏振转换光束穿过紧邻所述信号光检测器的共焦孔径。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，测量所述经偏振转换光束中的功率的量包括偏转及检测所述经偏振转换光束的一部分。

15.如权利要求10所述的方法，包括将待入射在信号光检测器上的所述透射的经偏振转换光束进一步定向在不超过22.5°的入射角上。

16.如权利要求10所述的方法，包括使所述透射的经偏振转换光束穿过所述参考块的顶部上的防反射涂层，所述防反射涂层被配置为最小化所述透射经偏振转换光束的正交偏振间反射率的差异。

17.一种测量被设置与参考块邻近的玻璃样品的分布特征的方法，包括：

产生在正交偏振之间以1Hz到50Hz之间的转换率转换的经偏振转换光束；

测量所述经偏振转换光束中功率的量以及产生偏振转换参考信号，其中每个所述正交偏振的所述测量功率量在彼此的50％内；

以进入所述玻璃样品的不同深度透射所述经偏振转换光束穿过所述玻璃样品及参考块；

用中继光学系统把所述透射的经偏振转换光束中继到信号光检测器，而所述信号光检测器产生经偏振转换检测信号；

把所述检测信号除以所述参考信号以形成归一化的检测信号；以及

由所述归一化的检测信号确定所述玻璃样品的所述分布特性。

18.如权利要求17所述的方法，进一步包括：

在使所述经偏振转换光束穿过所述玻璃样品之前，使所述经偏振转换光束穿过第一孔径光阑的第一离轴开口；

在所述透射经偏振转换光束的所述中继之前，使所述透射的经偏振转换光束穿过第二孔径光阑的第二离轴开口。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述第一开口具有契形形状以及所述第二开口具有弓形形状和可调节方位角范围。

20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述透射的经偏振转换光束包括关于中心光线22.5°的角范围，并且其中，所述透射经偏振转换光束被入射在所述信号光检测器上以使所述中心光线大体上正入射在所述信号光检测器上。