使用不同波长的棱镜耦合系统和方法与流程

使用不同波长的棱镜耦合系统和方法
1.本技术要求于2019年11月26日所提出的第62/940,295号的美国临时申请案的优先权权益，该申请的内容以引用其整体的方式并入本文中。
2.本公开涉及用于表征玻璃基化学强化制品中的应力的棱镜耦合系统和方法，且具体涉及具有不同波长的多个光源的此类系统和方法。


背景技术：

3.化学强化的玻璃基制品通过使玻璃基基板经受化学改性来形成以改善至少一种强度相关的特性，例如硬度、对断裂或表面刮擦的抗性等等。已发现将化学强化的玻璃基制品特别用作基于显示器的电子设备(尤其是手持式设备，例如智能型手机和平板计算机)的防护玻璃。
4.在一个方法中，通过离子交换(iox)工艺来实现化学强化，由此玻璃基基板的基质中的离子(“原生离子”或“基板离子”)被例如来自熔融浴的外部引入的离子(即替换离子或向内扩散的离子)替换。强化一般发生在替换离子比原生离子还大时(例如，na
+
或li
+
离子被k
+
离子替换)。iox工艺在玻璃中产生从制品表面延伸到基质中的iox区域。iox区域在基质内限定具有层深(dol)的折射率分布，层深表示相对于制品表面所测量到的iox区域的尺寸、厚度、或“深度”。折射率分布也限定了应力相关的特性，包括应力分布、表面应力、压缩深度、中心张力、双折射率等等。折射率分布也可以在玻璃基制品中限定光学波导，当折射率分布满足本领域中已知的某些准则时，该光学波导为给定波长的光支持数量m的引导模式。
5.棱镜耦合系统和方法可以用来测量形成于玻璃基iox制品中的平坦光学波导的引导模式的光谱以表征iox区域的一个或更多个性质，例如折射率分布和上述的应力相关特性。此技术已用来测量用于各种应用(例如用于显示器(例如，智能型手机)的化学强化覆盖物)的玻璃基iox制品的性质。此类测量用于质量控制用途以确保，对于给定应用的选定特性中的每一者而言，iox区域均具有预期的特性且落在选定设计容差的内。
6.尽管棱镜耦合系统和方法可以用于许多类型的常规玻璃基iox制品，但此类方法对于某些玻璃基iox制品而言不能很好地作用，有时候根本不起作用。例如，某些类型的iox玻璃基制品是通过引起两部分应力分布的第一离子扩散和第二离子扩散来形成的实际的双iox(diox)玻璃基制品。第一部分(第一区域)与基板表面紧邻，且具有相对较陡峭的应力改变斜率，而第二节段(第二区域)则延伸得更深入基板，但具有相对较浅的应力改变斜率。第一区域称为尖峰区域或简称为“尖峰”，而第二区域则称为深部区域。光学波导由尖峰区域和深部区域所限定。
7.此类两区域分布导致低阶模式(其具有相对较高的有效折射率)之间的间隔相对较大且高阶模式(其具有靠近临界角的相对较低的有效折射率，临界角限定引导模式的全内反射(tir)与所谓的泄漏模式的非tir之间的边界或过渡)之间的间隔非常小。在模式光谱中，为了方便起见，也可以将临界角称为“临界角过渡”。可能发生的是，引导模式可能仅在光学波导的尖峰区域中行进。即使不是不可能，仅在尖峰区域中行进的引导模式或泄漏
模式也使得难以在仅在尖峰区域中引导的光与在深部区域中引导的光之间进行区分。
8.根据具有两区域分布的玻璃基iox制品的模式光谱确定临界角的精确位置是有问题的，因为靠近临界角的引导模式会使临界角过渡处的强度分布失真。这转而会使对模式条纹的小数的计算失真，且因此使对尖峰区域的深度和应力相关的参数的计算(包括对尖峰区域的底部处的压缩应力的计算，该压缩应力称为“膝部应力”且表示为csk)失真。
9.事实证明，膝部应力csk是玻璃基iox制品的重要性质，且其测量值可以用于基于化学强化玻璃的制品的大规模制造中的质量控制。不幸地，在使用棱镜耦合系统来针对质量控制进行对iox制品的测量时，上述测量问题施加了严格的限制，因为对膝部应力csk的准确估算需要针对横电(te)和横磁(tm)引导模式准确地确定临界角过渡。


技术实现要素：

10.本文中所述的方法针对改善棱镜耦合系统在测量化学强化制品的至少一个应力相关的特性时的性能，特别是对于包括近表面尖峰区域的iox制品而言。该改善包括：包括具有不同测量波长的多个发光元件的光源，或者单个宽带光源和用来限定不同测量波长的多个窄带滤波器。在不同的波长下测量化学强化制品允许对至少一个应力相关的特性的更准确的估算。示例应力相关的特性包括应力相关的参数，例如应力分布、膝部应力csk、中心张力ct、伸张-应变能tse、双折射率、和对易碎性的估算(其与中心张力ct和/或伸张-应变能tse相关)、尖峰深度d1、层深d2、和折射率分布n(x)。
11.棱镜耦合系统和方法的示例包括以下步骤：使用棱镜耦合系统来收集化学强化制品的初始的tm和te模式光谱。在一个示例中，化学强化制品具有折射率分布，该折射率分布具有近表面尖峰区域和深部区域。依次在两个或更多个不同的测量波长(即光源的多个发光元件的不同发射波长或通过过滤来自宽带光源的宽带光来形成的不同测量波长)下收集tm和te模式光谱。这针对不同的测量波长造成了一组tmte模式光谱。接着估算该组tm和te模式光谱以评估tm和tm模式光谱中的哪一者最适于确定至少一个应力特性。估算可以包括以下步骤：考虑tm和te模式线中的模式线的对比度。估算也可以包括以下步骤：如下文解释地，确定tm模式光谱和te模式光谱中的模式线的数量的整数部分和小数部分，和基于落在选定范围中或具有选定值的小数部分(fp)作出选择。
12.本公开的实施例针对一种估算具有折射率分布的化学强化制品的至少一个基于应力的特性的方法，该折射率分布具有在玻璃基基板中限定光学波导的近表面尖峰区域和深部区域，该方法包括以下步骤：a)使用具有光源和耦合棱镜的棱镜耦合系统，依次用不同波长的测量光通过该耦合棱镜照射该玻璃基基板，以针对每个测量波长产生包含tm和te模式光谱的反射光以限定一组tm和te模式光谱；b)检查该组tm和te模式光谱，以识别该组tm和te模式光谱中最佳的tm和te模式光谱以供提供对该至少一个基于应力的特性的最准确的估算；和c)使用该最佳的tm和te模式光谱来估算该至少一个基于应力的特性。
13.本公开的另一个实施例针对一种估算具有折射率分布的化学强化制品的至少一个基于应力的特性的方法，该折射率分布具有在玻璃基基板中限定光学波导的近表面尖峰区域和深部区域，该方法包括以下步骤：a)使用具有光源和耦合棱镜的棱镜耦合系统，依次用宽带测量光通过该耦合棱镜照射该玻璃基基板以产生包含tm和te模式光谱的宽带反射光；b)依次对该宽带测量光或该宽带反射光进行窄带滤波，以形成具有不同中心波长的顺
序窄带反射光束；c)数字地检测顺序窄带反射光束以针对顺序窄带反射光束中的每一者捕捉tm和te模式光谱；d)检查该组tm和te模式光谱，以识别该组tm和te模式光谱中最佳的tm和te模式光谱以供提供对该至少一个基于应力的特性的最准确的估算；和e)使用该最佳的tm和te模式光谱来估算该至少一个基于应力的特性。
14.本公开的另一个实施例针对一种用于测量化学强化离子交换(iox)的制品的应力特性的棱镜耦合系统，该制品具有形成于玻璃基基板中且限定光学波导的近表面尖峰区域和深部区域，该棱镜耦合系统包括：a)耦合棱镜，具有输入表面、输出表面和耦合表面，且其中该耦合表面在基板上表面处与该波导接合；b)光源系统，在输入光路径上依次发射具有不同测量波长的多个测量光束，其中依次发射的测量光束通过该棱镜的该输入表面照射接合面，由此形成离开该耦合棱镜的该输出表面且在输出光路径上行进的顺序反射光束，其中顺序反射光束限定相应的横磁(tm)模式光谱和横电(te)模式光谱，每个模式光谱均具有测量波长中一个不同的测量波长；c)光电检测器系统，被布置为接收顺序反射光束，并针对测量波长中的每一者检测tm和该te模式光谱以形成一组tm和te模式光谱；d)控制器，被配置为执行以下动作：i)处理该组tm和te模式光谱，以识别该组tm和te模式光谱中最佳的tm和te模式光谱以供提供对该至少一个基于应力的特性的最准确的估算；和ii)使用最佳的tm和te模式光谱来估算该至少一个基于应力的特性。
15.本公开的另一个实施例针对一种用于测量化学强化离子交换(iox)的制品的应力特性的棱镜耦合系统，该制品具有形成于玻璃基基板中且限定光学波导的近表面尖峰区域和深部区域，该棱镜耦合系统包括：a)耦合棱镜，具有输入表面、输出表面和耦合表面，且其中该耦合表面在基板上表面处与该波导接合；b)光源系统，在输入光路径上依次发射宽带光束，该宽带光束通过该棱镜的该输入表面照射接合面，由此形成离开该耦合棱镜的该输出表面且在输出光路径上行进的反射光束，其中该反射光束限定横磁(tm)模式光谱和横电(te)模式光谱；c)滤光器系统，被配置为依次将具有不同窄带波长透射的滤光器安插到该输入光路径或该输出光路径中，以限定顺序反射光束，顺序反射光束各自具有不同的测量波长；d)光电检测器系统，被布置为接收顺序反射光束，并针对测量波长中的每一者检测该tm和te模式光谱以形成一组tm和te模式光谱；和e)控制器，被配置为执行以下动作：i)识别该组tm和te模式光谱中最佳的tm和te模式光谱以供提供对该至少一个基于应力的特性的最准确的估算；和ii)使用该最佳的tm和te模式光谱来估算该至少一个基于应力的特性。
16.依据方面(1)，提供了一种估算具有折射率分布的化学强化制品的至少一个基于应力的特性的方法，该折射率分布具有在玻璃基基板中限定光学波导的近表面尖峰区域和深部区域。该方法包括以下步骤：a)使用具有光源和耦合棱镜的棱镜耦合系统，依次用不同波长的测量光通过该耦合棱镜照射该玻璃基基板，以针对每个测量波长产生包含tm和te模式光谱的反射光以限定一组tm和te模式光谱；b)检查该组tm和te模式光谱，并识别该组tm和te模式光谱中最佳的tm和te模式光谱以用于提供对该至少一个基于应力的特性的最准确的估算；和c)使用该最佳的tm和te模式光谱来估算该至少一个基于应力的特性。
17.依据方面(2)，提供了方面(1)的方法，其中该至少一个应力相关的特性包括以下各项中的至少一者：应力分布、膝部应力、中心张力、拉伸-应变能、双折射率、易碎性、尖峰深度、层深和折射率分布。
18.依据方面(3)，提供了方面(1)到前述方面中的任一者的方法，其中该tm和te模式
光谱中的每一者均具有带有条纹对比度的条纹、临界过渡和条纹计数，该条纹计数具有整数部分和小数部分fp，且其中识别该组tm和te模式光谱中最佳的tm和te模式光谱包括以下步骤中的至少一者：选定具有最大的该条纹对比度的该tm模式光谱和该te模式光谱；选定具有在0.1与0.85之间的范围中的相应小数部分fp的该tm模式光谱和该te模式光谱；和选定相应的条纹最不受到相应的临界过渡的影响的该tm和te模式光谱。
19.依据方面(4)，提供了方面(3)的方法，其中该小数部分fp介于0.15与0.8之间。
20.依据方面(5)，提供了方面(1)到前述方面中的任一者的方法，其中不同测量波长落在从350nm到850nm的波长范围内。
21.依据方面(6)，提供了方面(5)的方法，其中不同测量波长落在从540nm到650nm的波长范围内。
22.依据方面(7)，提供了方面(1)到前述方面中的任一者的方法，其中该棱镜耦合系统包括光源，该光源包括多个发光元件，其中发光元件中的每一者在不同测量波长中的一者下发射光，且其中改变该测量配置包括以下步骤：平移该光源设备，使得多个发光设备依次与在该光源与耦合棱镜之间行进的输入光轴线对准。
23.依据方面(8)，提供了方面(7)的方法，其中多个发光元件包括发光二极管或激光二极管。
24.依据方面(9)，提供了方面(7)到前述方面中的任一者的方法，其中不同发光元件的不同波长相差1％与25％之间。
25.依据方面(10)，提供了方面(9)的方法，其中不同发光元件的不同波长相差3％与11％之间。
26.依据方面(11)，提供了方面(1)到前述方面中的任一者的方法，其中该光源设备机械连接到运动控制系统，且其中平移该光源设备的步骤是通过启动该运动控制系统来实现的。
27.依据方面(12)，提供了方面(11)的方法，其中该运动控制包括线性致动器。
28.依据方面(13)，提供了方面(1)到前述方面中的任一者的方法，其中来自发光元件中的每一者的该测量光均具有以中心波长为中心的波长带宽，且该方法进一步包括以下步骤：依次将不同波长的该测量光传递通过以相应的不同中心波长为中心的相应窄通滤光器，以减少该测量光的该波长带宽。
29.依据方面(14)，提供了方面(1)到(6)中的任一者的方法，其中该棱镜耦合系统包括光源，该光源包括宽带发光元件，该宽带发光元件发射宽带光，且其中改变该测量配置包括以下步骤：用以不同的测量波长为中心的两个或更多个窄带滤光器依次过滤该宽带光。
30.依据方面(15)，提供了方面(14)的方法，其中该发光元件包括多个发光器。
31.依据方面(16)，提供了方面(14)到前述方面中的任一者的方法，其中两个或更多个窄带滤光器被支撑在滤波器构件中，且该方法进一步包括以下步骤：移动该滤波器构件以依次将窄带滤光器安置为与该宽带发光元件可操作地对准或对准在该反射光内。
32.依据方面(17)，提供了方面(16)的方法，其中该滤波器构件包括滤波器轮，且所述移动该滤波器构件的步骤包括旋转该滤波器构件。
33.依据方面(18)，提供了方面(16)到前述方面中的任一者的方法，进一步包括以下步骤：使用检测系统来追踪该滤波器构件的位置，以确保窄带滤光器中一个选定的窄带滤
光器与该宽带发光元件对准或对准在该反射光内。
34.依据方面(19)，提供了方面(14)到(16)中的任一者的方法，其中两个或更多个窄带滤光器由支撑框架所支撑，且线性平移该支撑框架以将窄带滤光器依次安置为与该宽带发光元件可操作地对准。
35.依据方面(20)，提供了方面(19)的方法，其中该线性地平移该支撑框架的步骤是通过启动机械耦接到该支撑框架的运动控制系统来执行的。
36.依据方面(21)，提供了方面(20)的方法，其中该运动控制系统包括线性致动器，且其中线性地平移的步骤包括启动该线性致动器。
37.依据方面(22)，提供了方面(1)到前述方面中的任一者的方法，其中该检查该组tm和te模式光谱的步骤包括用数字检测器检测该tm模式光谱和该te模式光谱中的每一者，和数字地处理该tm模式光谱和该te模式光谱的相应的模式线以建立模式线对比度。
38.依据方面(23)，提供了方面(1)到前述方面中的任一者的方法，包括以下步骤：通过折射率匹配流体将该耦合棱镜光学耦合到该化学强化制品。
39.依据方面(24)，提供了一种估算具有折射率分布的化学强化制品的至少一个基于应力的特性的方法，该折射率分布具有在玻璃基基板中限定光学波导的近表面尖峰区域和深部区域。该方法包括以下步骤：a)使用具有光源和耦合棱镜的棱镜耦合系统，用宽带测量光通过该耦合棱镜依次照射该玻璃基基板以产生包含tm和te模式光谱的宽带反射光；b)依次对该宽带测量光或该宽带反射光中的任一者进行窄带滤波，以形成具有不同中心波长的顺序窄带反射光束；c)数字地检测顺序窄带反射光束以针对顺序窄带反射光束中的每一者捕捉tm和te模式光谱；d)检查该组tm和te模式光谱，以识别该组tm和te模式光谱中最佳的tm和te模式光谱以供提供对该至少一个基于应力的特性的最准确的估算；和e)使用该最佳的tm和te模式光谱来估算该至少一个基于应力的特性。
40.依据方面(25)，提供了方面(24)的方法，其中该至少一个应力相关的特性包括以下各项中的至少一者：应力分布、膝部应力、中心张力、拉伸-应变能、双折射率、易碎性、尖峰深度、层深、和折射率分布。
41.依据方面(26)，提供了方面(24)到前述方面中的任一者的方法，其中该tm模式光谱和该te模式光谱中的每一者均具有带有条纹对比度的条纹、临界过渡、和条纹计数，该条纹计数具有整数部分和小数部分fp，且其中识别该组tm和te模式光谱中最佳的tm和te模式光谱包括以下步骤中的至少一者：选定具有最大的该条纹对比度的该tm模式光谱和该te模式光谱；选定具有在0.1与0.85之间的范围中的相应小数部分fp的该tm模式光谱和该te模式光谱；和选定相应的条纹最不受到相应的临界过渡的影响的该tm模式光谱和该te模式光谱。
42.依据方面(27)，提供了方面(26)的方法，其中该小数部分fp介于0.15与0.8之间。
43.依据方面(28)，提供了方面(24)到前述方面中的任一者的方法，其中不同测量波长落在从350nm到850nm的波长范围的内。
44.依据方面(29)，提供了方面(28)的方法，其中不同测量波长落在从540nm到650nm的波长范围的内。
45.依据方面(30)，提供了方面(24)到前述方面中的任一者的方法，其中不同发光元件的不同波长相差1％与25％之间。
46.依据方面(31)，提供了方面(30)的方法，其中不同发光元件的不同波长相差2％与15％之间。
47.依据方面(32)，提供了方面(31)的方法，其中不同发光元件的不同波长相差3％与11％之间。
48.依据方面(33)，提供了方面(24)到前述方面中的任一者的方法，其中该进行窄带滤波的步骤包括将具有不同中心波长的窄带滤波器依次安插到该宽带测量光或该宽带反射光中的任一者中。
49.依据方面(34)，提供了方面(33)的方法，其中窄带滤波器被支撑在滤波器构件中，且其中依次安插的动作包括移动该滤波器构件。
50.依据方面(35)，提供了方面(34)的方法，其中该滤波器构件包括滤波器轮，且其中所述移动该滤波器构件的步骤包括旋转该滤波器轮。
51.依据方面(36)，提供了方面(34)到前述方面中的任一者的方法，进一步包括以下步骤：使用检测系统来追踪该滤波器构件的位置。
52.依据方面(37)，提供了方面(34)到(36)中的任一者的方法，其中所述数字地检测的步骤包括使用收集光学系统来将顺序窄带反射光束聚焦到数字检测器上，且其中该滤波器构件至少部分地位于该收集光学系统内。
53.依据方面(38)，提供了方面(34)到(36)中的任一者的方法，其中所述数字地检测的步骤包括使用收集光学系统来将顺序窄带反射光束聚焦到数字检测器上，且其中该滤波器构件位于该耦合棱镜与该收集光学系统之间。
54.依据方面(39)，提供了方面(24)到前述方面中的任一者的方法，其中顺序窄带反射光束各自具有10nm或更小的波长带。
55.依据方面(40)，提供了方面(39)的方法，其中顺序窄带反射光束各自具有6nm或更小的波长带。
56.依据方面(41)，提供了一种用于测量化学强化离子交换(iox)的制品的应力特性的棱镜耦合系统，该制品具有形成于玻璃基基板中且限定光学波导的近表面尖峰区域和深部区域。该棱镜耦合系统包括：a)耦合棱镜，具有输入表面、输出表面、和耦合表面，且其中该耦合表面在基板上表面处与该波导接合；b)光源系统，在输入光路径上依次发射具有不同测量波长的多个测量光束，其中依次发射的测量光束通过该棱镜的该输入表面照射接合面，由此形成离开该耦合棱镜的该输出表面且在输出光路径上行进的顺序反射光束，其中顺序反射光束限定相应的横磁(tm)模式光谱和横电(te)模式光谱，每个模式光谱均具有测量波长中一个不同的测量波长；c)光电检测器系统，被布置为接收顺序反射光束，并针对测量波长中的每一者检测该tm模式光谱和该te模式光谱以形成一组tm和te模式光谱；d)控制器，被配置为执行以下动作：a.处理该组tm和te模式光谱，以识别该组tm和te模式光谱中最佳的tm和te模式光谱以供提供对该至少一个基于应力的特性的最准确的估算；和b.使用该最佳的tm和te模式光谱来估算该至少一个基于应力的特性。
57.依据方面(42)，提供了方面(41)的棱镜耦合系统，其中该光源系统包括光源设备，该光源设备可操作地支撑具有不同测量波长的多个发光元件。
58.依据方面(43)，提供了方面(42)的棱镜耦合系统，其中该光源设备机械连接到运动控制系统，该运动控制系统移动该光源设备，使得发光元件在该输入光路径上依次发射
不同测量波长的测量光。
59.依据方面(44)，提供了方面(43)的棱镜耦合系统，其中该运动控制系统包括通过驱动轴杆连接到该光源的线性致动器。
60.依据方面(45)，提供了方面(42)到前述方面中的任一者的棱镜耦合系统，其中依次发射的测量光束各自具有光学带宽，且该棱镜耦合系统进一步包括多个窄带滤光器，其中滤光器被支撑在支撑框架中，使得多个发光元件中的发光元件中的每一者均与滤光器中的一者光学对准，以减少依次发射的测量光束的该光学带宽。
61.依据方面(46)，提供了方面(41)的棱镜耦合系统，其中该光源包括发射宽带光的宽带发光元件，且该棱镜耦合系统进一步包括滤光器的阵列，每个滤光器均具有不同的中心波长，其中滤光器由可移动的支撑框架所支撑，使得滤光器可以依次安插到该宽带光中以产生具有不同测量波长的顺序测量光束。
62.依据方面(47)，提供了方面(46)的棱镜耦合系统，其中该可移动支撑框架包括可旋转的滤波器构件。
63.依据方面(48)，提供了方面(46)的棱镜耦合系统，其中该可移动支撑框架可操作地附接到线性致动器，该线性致动器被配置为平移该支撑框架，以将滤光器依次安插到该宽带光中。
64.依据方面(49)，提供了方面(41)到前述方面中的任一者的棱镜耦合系统，其中依次发射的测量光束各自具有小于10nm的光学带宽。
65.依据方面(50)，提供了方面(41)到前述方面中的任一者的棱镜耦合系统，其中不同测量波长由三个不同的测量波长组成。
66.依据方面(51)，提供了方面(41)到前述方面中的任一者的棱镜耦合系统，其中不同测量波长落在从350nm到850nm的波长范围内。
67.依据方面(52)，提供了方面(51)的棱镜耦合系统，其中不同测量波长落在从540nm到650nm的波长范围内。
68.依据方面(53)，提供了一种用于测量化学强化离子交换(iox)的制品的应力特性的棱镜耦合系统，该制品具有形成于玻璃基基板中且限定光学波导的近表面尖峰区域和深部区域。该棱镜耦合系统包括：a)耦合棱镜，具有输入表面、输出表面、和耦合表面，且其中该耦合表面在基板上表面处与该波导接合；b)光源系统，在输入光路径上依次发射宽带光束，该宽带光束通过该棱镜的该输入表面照射接合面，由此形成离开该耦合棱镜的该输出表面且在输出光路径上行进的反射光束，其中该反射光束限定横磁(tm)模式光谱和横电(te)模式光谱；c)滤光器系统，被配置为依次将具有不同窄带波长透射的滤光器安插到该输入光路径或该输出光路径中的任一者中，以限定顺序反射光束，每个顺序反射光束均具有不同的测量波长；d)光电检测器系统，被布置为接收顺序反射光束，并针对测量波长中的每一者检测该tm模式光谱和该te模式光谱以形成一组tm和te模式光谱；e)控制器，被配置为执行以下动作：a.识别该组tm和te模式光谱中最佳的tm和te模式光谱以供提供对该至少一个基于应力的特性的最准确的估算；和b.使用该最佳的tm和te模式光谱来估算该至少一个基于应力的特性。
69.依据方面(54)，提供了方面(53)的棱镜耦合系统，其中该滤光器系统包括可移动滤波器构件，该可移动滤波器构件机械连接到配置为移动该可移动滤波器构件的驱动电
机。
70.依据方面(55)，提供了方面(54)的棱镜耦合系统，进一步包括用于检测该可移动滤波器构件的位置的检测系统。
71.依据方面(56)，提供了方面(54)到前述权利要求中的任一者的棱镜耦合系统，其中该可移动滤波器构件包括可旋转的滤波器轮。
72.依据方面(57)，提供了方面(53)到前述权利要求中的任一者的棱镜耦合系统，其中所述识别该最佳的tm和te模式光谱的步骤包括执行条纹计数以确定该条纹计数的整数部分和该条纹计数的小数部分，并基于落在选定范围内的该条纹计数的该小数部分来选定该tm和te模式光谱。
73.依据方面(58)，提供了方面(53)到前述权利要求中的任一者的棱镜耦合系统，其中顺序反射光束各自具有小于10nm的波长带。
74.依据方面(59)，提供了方面(53)到前述权利要求中的任一者的棱镜耦合系统，其中不同测量波长落在从350nm到850nm的波长范围内。
75.依据方面(60)，提供了方面(59)的棱镜耦合系统，不同测量波长落在从540nm到650nm的波长范围内。
76.额外的特征和优点被阐述在以下的实施例中，且本领域中的技术人员将从本说明书来理解特征和优点的一部分，或通过实践如本文的书面说明和权利要求以和附图中所描述的实施例来认识特征和优点的一部分。要理解到，以上的概括说明和以下的实施例两者都仅是示例性的，且意欲提供概览或架构以理解权利要求的本质和特质。
附图说明
77.包括了附图以提供进一步的理解，且附图被并入和构成此说明书的一部分。附图绘示一个或更多个实施例，且与实施例一起解释各种实施例的原理和操作。如此，与附图结合考虑，根据以下的实施例，将更全面地理解本公开，在附图中：
78.图1a是呈平坦基板的形式的示例diox玻璃基板的俯视图。
79.图1b是图1a的diox基板在x-y平面上所截取的特写横截面图，且该特写横截面图绘示跨基板表面进行且进行到基板的主体中的示例diox工艺。
80.图1c示意性地绘示形成diox基板的diox工艺的结果，该diox基板具有近表面尖峰区域(r1)和深部区域(r2)。
81.图2是diox基板相对于距离表面的深度(绘示在图1c中)的示例折射率分布n(x)的表示，其示出尖峰区域、深部区域和两个区域之间的过渡处的膝部。
82.图3a是依据本公开的示例棱镜耦合系统的示意图，且该示例棱镜耦合系统用来使用本文中所公开的方法来测量iox制品。
83.图3b是图3a的棱镜耦合系统的光电检测器系统的特写图。
84.图3c是包括由图3b的光电检测器系统所捕捉的tm和te模式光谱的模式光谱的示意表示。
85.图4a是示例光源的侧视图，该光源具有支撑多个光源元件的光源设备，其中该光源设备可以通过线性致动器侧向移动以将具有选定波长的一个或更多个发光元件与输入光轴线对准。
86.图4b是图4a的光源设备的一部分的发光元件和窄带滤光器的示例配置的特写侧视图。
87.图4c是示例光源设备的俯视图，其示出布置成一直线且发射不同波长的测量光的三个发光元件。
88.图4d与图4c类似，且绘示具有发光元件对的示例光源设备，其中不同的对会发射不同波长的测量光。
89.图4e和图4f与图4a类似，且示出处于由线性致动器所建立的两个不同侧向位置的光源设备，其中不同的侧向位置具有与输入光轴线对准的不同的发光元件和不同的滤光器。
90.图5a与图4a类似，且绘示光源系统的示例配置，其中光源设备支撑单个宽带发光元件，且其中不同的滤光器通过线性致动器侧向移动以与宽带发光元件对准以限定具有不同测量波长的顺序测量光束。
91.图5b和图5c是支撑框架和滤光器的俯视图，其示出使用引导特征和线性致动器来进行支撑框架和滤光器的侧向移动。
92.图6a与图4a和图5a类似，且绘示具有滤波器构件的滤光器系统的示例，该滤波器构件将选定的滤光器旋转到由宽带发光元件所形成的输入光路径中，该滤波器构件的不同示例示于两个特写插图中。
93.图6b是具有四个不同滤光器的示例圆形滤波器构件的俯视图。
94.图6c与图6b类似，且绘示具有三个不同滤光器的非圆形(偏心)滤波器构件的示例。
95.图7a、图7b、和图7c是示意图，其绘示布置在棱镜耦合系统的检测侧上的滤光器系统的示例配置。
96.图8是与图3c的模式光谱类似的示例模式光谱的一部分的示意图，且绘示根据te和tm模式光谱的测量到的模式光谱来确定小数模式数量的示例方法。
97.图9是使用diox工艺由含锂铝硅酸盐玻璃基板所形成的示例iox制品的测量到的尖峰深度dol
sp
(μm)与扩散时间t(小时)的关系图，其中测量由单波长棱镜耦合系统(空心方形)和三波长棱镜耦合系统(深色圆圈)所执行。
98.图10是基于对使用相同的diox工艺由含锂铝硅酸盐玻璃基板所形成的示例iox制品进行的测量的测量到的膝部应力csk(mpa)与tm条纹(模式)计数n
tm
的关系图，其中第一扩散步骤的扩散时间相同，但第二扩散步骤的扩散时间对于不同的iox制品而言不同，其中单波长测量值由x示出，而三波长测量值则由深色方形示出。
99.图11是类型与图4中所考虑的类型相同的iox制品在两步骤离子交换(diox)之后的测量到的膝部应力csk(mpa)与离子交换时间t(小时)的关系图。
100.图12是额外示例测量值的与图9的绘图类似的绘图。
101.图13a是单波长测量的示例tm和te模式光谱对的示意图，模式光谱分别包括四个tm和te模式或条纹，该示意图示出0.5个条纹的测量窗口尺寸。
102.图13b与图8a类似，除了其示出三个tm和te模式光谱对以外，三个测量波长中的每一者均与一个模式光谱对对应，且示出约0.9个条纹的较大的有效测量窗口，其几乎是图8a的单波长情况的两倍。
of improving the measurement of knee stress in ion-exchanged chemically strengthened glasses containing lithium”；和于2017年1月3日公告的第9,534,981号的美国专利“prism-coupling systems and methods for characterizing ion-exchange waveguides with large depth-of-layer”，上述文献中的每一者的整体内容均以引用方式并入本文中。
120.于2020年8月4日公告的标题为“prism-coupling stress meter with wide metrology process window”的第10,732,059号的美国专利的整体内容也以引用方式并入本文中。
121.iox制品
122.图1a是示例iox制品10的俯视图。iox制品10包括玻璃基基板20，其具有限定(顶)表面22的基质21，其中基质具有基本(本体)折射率ns和表面折射率n0。图1b是iox制品10在x-y平面上所截取的特写横截面图，且绘示跨表面22进行且在x方向上进行到基质21中以形成示例iox制品的示例diox工艺。
123.基板20在基质21中包括基板离子is，其与第一离子i1和第二离子i2交换。可以使用已知技术依次地或并行地将第一离子i1和第二离子i2引入到基质21中。例如，第二离子i2可以是在引入第一离子i1之前经由kno3浴引入的用于强化的k
+
离子，第一离子可以是经由含agno3的浴引入以在表面22附近添加防微生物性质的ag
+
离子。图1b中表示离子i1和i2的圆圈仅用于示意说明，且它们的相对尺寸不一定表示参与离子交换的实际离子的尺寸之间的任何实际关系。图1c示意性地绘示形成iox制品10的diox工艺的结果，其中为了容易说明起见在图1c中省略基板离子is，且基板离子is被理解为构成基质21。diox工艺形成iox区域24，该iox区域包括近表面尖峰区域r1和深部区域r2，如下文解释。iox区域24限定光学波导26。
124.此外，离子i1可能大量存在于区域r1和r2中(参照图2，于下文介绍和论述)，如同类型i2的离子一样。即使利用单步骤离子交换工艺，也可能观察到两个iox区域r1和r2的形成，其中离子i1和i2的相对浓度有显著差异。在一个示例中，使用在含有kno3与agno3的混合物的浴中对含na或含li玻璃进行的离子交换，可能获得具有很大浓度的ag
+
和k
+
的尖峰区域r1和也具有很大浓度的ag
+
和k
+
的深部区域r2，但与深部区域r2中相比，ag
+
相对于k
+
的相对浓度可能在尖峰区域r1中明显较大。
125.图2是例如图1c中所绘示的示例iox制品10的示例折射率分布n(x)的表示，其示出与较浅的离子交换(离子i1)相关联的尖峰区域r1，且该尖峰区域具有进入基质21的深度d1(或dol
sp
)。深部区域r2与较深的离子交换(离子i2)相关联且具有限定总层深(dol
t
)的深度d2。在一个示例中，总dol
t
为至少50μm，且在一个示例中还可以高达150μm或200μm。如下文所述，尖峰区域r1与深部区域r2之间的过渡在折射率分布n(x)中且也在对应的应力分布cs(x)中限定了膝部kn。
126.实际上，可以在尖峰区域r1之前产生深部区域r2。尖峰区域r1紧邻基板表面22，且相对陡峭和浅(例如，d1为几微米)，而深部区域r2较不陡峭且相对深地延伸到基板中到上述深度d2。在一个示例中，尖峰区域r1具有基板表面22处的最大折射率n 0
且急剧递减到中间折射率ni(其也可以称为“膝部折射率”)，而深部区域r2更渐进地从中间折射率递减到基板(本体)折射率ns。这里强调，其他的iox工艺可以造成陡峭且浅的近表面折射率改变，且
在这里以说明方式论述diox工艺。
127.在一些示例中，依据下文所阐述的易碎性准则，iox制品10易碎，而在其他的示例中，其不易碎。
128.棱镜耦合系统
129.图3a是可以用来实现本文中所公开的方法的方面的示例棱镜耦合系统28的示意图。使用棱镜耦合系统28的棱镜耦合方法是非破坏性的。此特征对于出于研究和开发的目的和为了在制造时进行质量控制而测量易碎的iox制品而言特别有用。
130.棱镜耦合系统28包括配置为可操作地支撑iox制品10的支撑台30。棱镜耦合系统28也包括耦合棱镜40，该耦合棱镜具有输出表面42、耦合表面44、和输出表面46。耦合棱镜40具有折射率n
p
＞n0。通过使耦合棱镜耦合表面44与表面22进行光学接触，耦合棱镜40与受测量的iox制品10接合，由此限定了接合面50，该接合面在一个示例中可以包括具有厚度th的接合(或折射率匹配)流体52。在一个示例中，棱镜耦合系统28包括接合流体供应器53，该接合流体供应器流体连接到接合面50以向接合面供应接合流体52。此配置也允许部署具有不同折射率的不同接合流体52。因此，在一个示例中，可以通过操作接合流体供应器53以添加较高折射率或较低折射率的接合流体来改变接合流体52的折射率。在一个示例中，接合流体供应器53可操作地连接到控制器150且由该控制器所控制。
131.在示例性测量中，可以使用气动地连接到接合面50的真空系统56通过改变接合面处的真空量来控制厚度th。在一个示例中，真空系统可操作地连接到控制器150且由该控制器所控制。
132.棱镜耦合系统28包括输入光轴线a1和输出光轴线a2，光轴线分别穿过耦合棱镜40的输入表面42和输出表面46以在棱镜/空气接合面处的折射之后在接合面50处基本上收敛。
133.棱镜耦合系统28沿着输入光轴线a1依次包括光源系统60，该光源系统在沿着输入光轴线a1的大致方向上发射测量光62。测量光62具有测量波长λ，其可以在棱镜耦合系统28的操作期间依次改变以产生具有不同测量波长λ的顺序输入(测量)光束62b1、62b2、...。下文更详细地描述可以用来依次改变测量波长λ的光源系统60的示例配置。注意，输入光轴线a1在光源系统60与耦合棱镜40之间行进。使用包括聚焦透镜82的聚焦光学系统80来使测量光聚焦以形成聚焦的测量光62f。
134.棱镜耦合系统28也从耦合棱镜40沿着输出光轴线a2依次包括收集光学系统90、tm/te偏振器100、和光电检测器系统130，该收集光学系统具有焦平面92和焦距f且如下文解释地接收反射光62r。在一个示例中，如下文更详细地解释的，反射光62r包括依次反射的光束62r1、62r2、...，每个反射光束均具有不同的测量波长。棱镜耦合系统28的在耦合棱镜40的下游(由测量光62的行进方向所限定)的部分称为系统的检测器侧。
135.输入光轴线a1限定光源系统60与耦合表面44之间的输入光路径op1的中心。输入光轴线a1也相对于受测量的iox制品10的表面22限定耦合角θ。
136.输出光轴线a2限定耦合表面44与光电检测器系统130之间的输出光路径op2的中心。注意，由于折射，输入光轴线a1和输出光轴线a2可能分别在输入表面42和输出表面46处弯曲。它们也可以通过将反射镜(未示出)安插到输入光路径op1和/或输出光路径op2中而被分解成子路径。
137.在示例中，光电检测器系统130包括检测器(相机)110和帧抓取器120。在下文所论述的其他实施例中，光电检测器系统130包括cmos或ccd摄影机。图3b是tm/te偏振器100和光电检测器系统130的检测器110的特写俯视图。在一个示例中，tm/te偏振器包括tm区段100tm和te区段100te。光电检测器系统130包括光敏表面112。
138.光敏表面112位于收集光学系统90的焦平面92上，其中光敏表面与输出光轴线a2大致垂直。这用来将离开耦合棱镜输出表面46的反射光62r的角度分布在检测器110的传感器平面处转换成光的横向空间分布。在示例实施例中，光敏表面112包括像素，即检测器110是数字检测器，例如数字相机。
139.如图3b中所示地将光敏表面112分成te区段112te和tm区段112tm允许同时记录角度反射光谱(模式光谱)113的数字影像，该光谱包括反射光62r的te偏振和tm偏振的个别的te模式光谱113te和tm模式光谱113tm。此种同时检测消除了测量噪声源，考虑到系统参数可能随时间漂移，该测量噪声源可能由在不同时间进行te和tm测量造成。
140.图3c是由光电检测器系统130所捕捉的模式光谱113的示意表示。模式光谱113具有与引导模式相关联的全内反射(tir)区段115和与辐射模式和泄漏模式相关联的非tir区段117。tir区段115与非tir区段117之间的过渡116限定临界角且称为临界角过渡116，且对于tm模式光谱113tm而言被表示为116tm，而对于te模式光谱而言则被表示为116te。tm模式光谱113tm和te模式光谱113te的临界角过渡116tm和116te的开始位置的差异与膝部应力csk成比例，且此比例在图3c中由“～cs
k”所指示。
141.tm模式光谱113tm包括模式线或条纹115tm，而te模式光谱113te则包括模式线或条纹115te。取决于棱镜耦合系统28的配置，模式线或条纹115tm和115te可以是明亮线或深色线中的任一者。在图3c中，为了容易说明起见，将模式线或条纹115tm和115te示为深色线。在以下论述中，将术语“条纹”用作更正式的术语“模式线”的简称。
142.基于模式光谱113中的tm条纹115tm和te条纹115te的位置的差异来计算应力特性。需要tm模式光谱113tm的至少两个条纹115tm和te模式光谱113te的至少两个条纹115te来计算表面应力cs。需要额外的条纹来计算应力分布cs(x)。也需要tm条纹115tm和te条纹115te来具有合适的对比度，使得可以准确地确定它们的位置。
143.再次参照图3a，棱镜耦合系统28包括控制器150，该控制器被配置为控制棱镜耦合系统的操作。控制器150也被配置为从光电检测器系统130接收和处理代表捕捉(检测)到的te和tm模式光谱图像的图像信号si。控制器150包括处理器152和记忆单元(“内存”)154。控制器150可以经由光源控制信号sl控制光源系统60的启动和操作，且接收和处理来自光电检测器系统130(如所示，例如来自帧抓取器120)的图像信号si。控制器150可程序化(例如，程序化为具有实施在非瞬态计算机可读取媒体中的指令)以执行本文中所述的功能，包括操作棱镜耦合系统28和对图像信号si进行上述的信号处理以得出iox制品10的上述应力特性中的一者或更多者的测量值。
144.示例光源系统
145.a.可平移光源设备
146.图4a是第一示例光源系统60的示意图。光源系统60包括支撑基部200，其具有支撑导轨210的顶面202。导轨210可移动地支撑导轨支座212，导轨支座在示例中沿着导轨滑动。导轨支座212可操作地支撑光源设备220。光源设备220包括具有顶面232的支撑基板230。支
撑基板230可以包括电线、电路系统、和其他的电子部件(未示出)。在示例中，支撑基板230可以包括印刷电路板(pcb)。支撑基板230在其顶面232上支撑多个发光元件61，图4b的特写侧视图中示出了示例发光元件和相关联的组件。
147.三个示例发光元件61示于图4a中且表示为61a、61b和61c，且各自发射分别具有不同测量波长λ(例如，λa、λb、和λc)的测量光62。在示例中，发光元件61包括发光二极管(led)或激光二极管。三个示例测量波长λa、λb、和λc可以分别包括540nm、595nm、和650nm。在示例中，测量波长λ落在从350nm到850nm的波长范围或更狭窄的从540nm到650nm的波长范围内。在示例中，测量波长是相对狭窄的波长带的中心波长。图4a示出聚焦光学系统80的示例聚焦透镜82，该聚焦透镜用来接收测量光62并形成聚焦的测量光62f。
148.在所示的示例中，每个发光元件61均被包覆在半透明的外壳63(例如，外壳63a、63b和63c)内，该外壳在示例中可以充当透镜。每个发光元件61均具有中心轴线ae，其中发光元件61a、61b、和61c的轴线分别表示为aea、aeb、和aec。注意，通过示例的方式示出了三个发光元件61，且可以使用更少的(即两个)发光元件61，或者可以使用多于三个的发光元件。
149.光源系统60也可以包括两个或更多个滤光器66的阵列，滤光器分别可操作地设置在发光元件61附近。图4a示出三个滤光器66a、66b和66c，其分别沿着相应的轴线aea、aeb和aec可操作地设置在发光元件61a、61b和61c附近。在示例中，滤光器66由支撑框架240所支撑，该支撑框架附接到支撑基板的顶面232。每个滤光器66a、66b和66c分别具有用波长λa、λb和λc为中心的相对狭窄的带通。滤光器66的波长带通比对应的发光元件61的波长带宽更狭窄。对于测量光62而言，具有狭窄的波长带分别允许更尖锐的tm条纹115tm和te条纹115te(参照图3c)。
150.图4c是示例光源设备220的俯视图，其示出布置成一直线的三个发光元件61a、61b、和61c。在每个发光元件61均发射独特的测量波长λ的此配置中，给定的发光元件(例如，如所示的发光元件61b)可以用输入光轴线a1为中心，即给定发光元件的中心轴线ae可以与输入光轴线a1同轴。
151.图4d与图4c类似，且示出光源设备220的示例配置，该光源设备具有一对发光元件61a、一对发光元件61b、和一对发光元件61c，其中这些对的发光元件与对应对的滤光器66a、66b、和66c对准。在此配置中，给定对的发光元件61可以用输入光轴线a1为中心，通过示例的方式，该输入光轴线在图4d中示为位于该对发光元件61b之间。也考虑了光源设备220的其他配置，例如分别具有三角形布置、方形布置等等的三或更多个发光元件61的布置。
152.再次参照图4a，光源设备220机械连接到运动控制系统250。在所示的示例中，运动控制系统包括线性致动器251和驱动轴杆252。如本领域中已知的，可以采用其他的示例运动控制系统250。通过示例的方式且为了容易论述起见，下面的论述的部分指涉线性致动器251和驱动轴杆252。
153.运动控制系统250可以电连接到控制器150，该控制器可以经由致动器控制信号sa控制线性致动器以相对于输入光轴线a1来回(例如，在与该输入光轴线垂直的方向上)移动光源设备220。此种侧向移动可以用来将发光元件61a、61b、或61c中选定的一个发光元件定位(平移)为与输入光轴线a1同轴或用其他方式对准，如图4c和图4d的示例中所绘示。
154.图4e和图4f与图4a类似，且示出处于由线性致动器251所建立的两个不同侧向位置的光源设备220，其中不同的侧向位置具有与输入光轴线a1对准的不同的发光元件61和其对应的滤光器66。
155.在图4a中的光源60依次产生具有不同波长的测量光束62b1、62b2、...时，反射光62包括顺序反射光束62r1、62r2、...，每个顺序反射光束均具有不同的波长(例如，中心波长)。这些顺序反射光束由收集光学系统90所收集且在检测器110处被检测以数字地捕捉tm和te模式光谱113，顺序反射光束中的每一者均与一个tm和te模式光谱对应，且因此测量波长中的每一者均与一个tm和te模式光谱对应(参照图3a)。
156.b.具有可平移滤波器的宽带发光元件
157.图5a与图4a类似，且示出光源系统60的示例，其中光源设备220具有单个宽带发光元件61，宽带发光元件具有与输入光轴线a1同轴的中心轴线ae。多个滤光器66(例如，66a、66b、66c、...)被支撑在支撑框架240的顶部区段241中。图5b是支撑在支撑框架240的顶部区段241中的滤光器66a、66b和66b的俯视图。发光元件61以虚线示为位于中心滤光器66b正下方。在示例中，取决于在测量光62中需要多少强度，也可以使用多个宽带发光元件61。可以紧密围绕输入光轴线a1布置多个宽带发光元件61，使得它们共同操作为单个大型宽带同轴发光器。图式中所示的单个宽带发光元件61是示意性的，且在示例中代表多个、紧密布置的宽带发光器(例如参照下文所论述的图6a)。
158.支撑框架240的顶部区段241具有顶面242、近端243和远端244。顶面242包括至少一个引导特征245，例如一对导轨或引导凹槽，如可以从图5b中最佳地看出的。支撑框架240也包括支撑壁246，该支撑壁包括至少一个引导特征247，该至少一个引导特征与顶部区段的顶面的该至少一个引导特征245互补，使得顶部区段可以被支撑壁可滑动地接合且用受引导的方式侧向移动。
159.顶部区段241的近端243被运动控制系统250(例如，线性致动器251的驱动轴杆252)可操作地接合，以驱动顶部区段241的侧向移动。图5c与图5b类似，且示出顶部区段241，该顶部区段偏移到左侧，使得现在发光元件61位于滤光器66c正下方。因此，可以使用运动控制系统250来控制(例如，经由控制器15控制)顶部区段241侧向移动到滤波器66中选定的一个滤波器的位置，以与发光元件61成一直线以限定测量光62的选定波长λa、λb、λc等等。顶部区段241的侧向位置容易被运动控制系统250和/或控制器150追踪，使得给定的滤光器66可以准确地与发光元件61对准。
160.c.具有可旋转滤波器的发光元件
161.图6a与图5a类似，且绘示光源系统60的示例，其中滤光器66被支撑在可旋转支撑框架240中。图6b是示例可旋转支撑框架240的俯视图。支撑框架240包括具有旋转轴线ar的中心区段260和支撑多个滤光器66(例如，通过示例的方式示出的66a到66d)的外部区段262。在示例中，外部区段262具有周边266且是环形的，且滤光器66均匀地分布在环形外部区段上方。图6c与图6b类似，且绘示具有非圆形或偏心的形状的支撑框架240的另一个实施例。图6a的特写插图i1和i2示出仅包括单个发光器61e和包括多个发光器61e的发光元件61的示例。
162.光源系统60包括驱动电机300，该驱动电机具有驱动轴杆302，该驱动轴杆可操作地附接到中心区段260，使得支撑框架240可以围绕旋转轴线ar旋转。在示例中，驱动电机
300被配置为步进地(例如，用角度增量)旋转支撑框架240以定位滤光器66中选定的一个滤光器，使得该滤光器位于宽带发光元件61正上方(即位于输入光路径op1中)。在示例中，驱动电机300连接到控制器150且由该控制器所控制。因此，支撑框架240和支撑的滤光器66构成滤波器构件320。在示例中，滤波器构件包括滤波器轮。滤波器构件320、驱动电机300和在支撑框架240的中心区段260处可操作地连接到滤波器构件的驱动轴杆302构成滤光器系统350。
163.b.收集光学系统中的滤光器系统
164.图7a是示意图，其绘示棱镜耦合系统28的示例配置，其中滤光器系统350布置在棱镜耦合系统28的检测侧上(参照图3a)而不是布置在光源侧上。滤光器系统350被布置为使得滤光器66可以可操作地设置在输出耦合路径op2中以对反射光62r进行波长过滤以形成顺序窄带反射光束62r1、62r2、...。
165.在图7a的示例中，滤光器系统350可以位于收集光学系统90与耦合棱镜40之间的输出耦合路径op2中的任何地方。在一些示例中，可以有利的是，将滤光器系统安置在收集光学系统90附近，例如，如所示的收集光学系统的收集透镜l1附近。
166.图7b与图7a类似，且绘示滤光器系统350被布置为使得滤波器构件320至少部分地位于收集光学系统90内(例如，收集光学系统的第一透镜l1与第二透镜l2之间)的示例。在此配置中，反射光62r实质上被第一透镜l1准直。这允许反射光62r在形成顺序窄带反射光束62r1、62r2、...时用实质法向入射穿过给定的滤光器66(例如，如所示的66a)。
167.在示例中，也可以将tm/te偏振器100定位在收集光学系统90内，使得实质准直的反射光62r也可以用基本上法向入射穿过tm/te偏振器。第二透镜l2可以用作将过滤波长的反射测量光(即顺序窄带反射光束62r1、62r2、...)引导到检测器110的聚焦透镜。
168.图7c与图7b类似，且绘示驱动电机300的驱动轴杆302连接到第一齿轮401的示例。第一齿轮401与第二齿轮402可操作地接合，该第二齿轮围绕支撑框架240的外部区段262的周边266的至少一部分运行。驱动轴杆320的旋转会旋转第一齿轮401，这转而旋转第二齿轮402，这转而又旋转滤波器构件302。与在其他的实施例中一样，滤波器构件320被旋转为将选定的滤波器66安置在输出耦合路径op2中，以过滤反射光62r并形成顺序窄带反射光束62r1、62r2等等。
169.在示例中，将参考特征270包括在引导元件320上。参考特征270的位置可以被检测系统420检测到。在示例中，参考特征270可以是凸部或凹部，且检测系统420可以是距离传感器，该距离传感器感测与滤波器构件320的距离，且其中该距离通过凸部或凹部来改变。在另一个示例中，参考特征270可以是反射元件、条形码、或类似的标记，而检测系统420则可以是扫描仪或机器视觉系统等等。检测系统420和驱动电机300可以可操作地连接到控制器150。检测系统420可以向控制器150提供检测信号sd，该检测信号代表滤波器构件320的旋转位置且因此代表滤波器66相对于输出光路径op2的相对位置。控制器150也可以向驱动电机300发送电机控制信号sm以使得驱动电机将滤波器构件320安置在选定的旋转位置中，例如，使得滤波器66中选定的一个滤波器安置在输出耦合路径op2中。
170.使用不同的测量波长来测量iox制品
171.对iox制品10的应力特性的正确测量常规上需要，棱镜耦合系统28将聚焦的测量光62f从光源60(通过聚焦光学系统80)耦合到由iox波导26所支持的足够数量的引导模式
中，使得即使不是全部，尖峰区域r1以和深部区域r2中的折射率分布的大部分也被取样为使得测量到的模式光谱113完整且准确(即包括关于整个iox区域24而不是只有一部分的iox区域的信息)。
172.在与尖峰区域r1相关联的引导模式或泄漏模式具有接近临界角的有效折射率时，确定模式光谱113中的临界角过渡116的精确位置可能是有问题的。这是因为，强度分布中的最大斜率的通常位置可能与跟尖峰深度d1处(即在由尖峰区域与深部区域r2之间的过渡所形成的膝部kn处(参照图2))的实际有效折射率略有不同的有效折射率对应。
173.如上所述，由有效折射率光谱中邻近的引导模式或泄漏模式所造成的共振可能导致与膝部kn处的折射率对应的有效折射率附近的强度分布的形状的显著改变。也如上所述，这可能使对te条纹115te和tm条纹115tm的小数数量的计算基本上失真，且因此使对尖峰深度d1的计算和因此膝部应力csk的计算基本上失真。这对于使用na
+
和k
+
离子经历diox工艺以形成iox制品10的li基玻璃基板20而言尤其如此。
174.在将棱镜耦合测量用于iox制品10的质量控制时，上述计算失真施加了严格的限制，因为对膝部应力csk的准确估算仅在范围狭窄的条件(即狭窄的测量工艺窗口)下才可能发生，在此条件下，临界角强度过渡116(参照图3c)对于tm偏振和te偏振而言均不受干扰。
175.本文中所公开的系统和方法允许使用不同的测量波长λ来对iox制品10进行测量，以获得具有合适对比度的tm模式光谱113tm和te模式光谱113te以供执行对iox制品的应力特性的准确测量。这包括依次改变测量波长λ，使得不同的测量波长可以依次耦合到iox制品10的波导26中，以针对优选的测量窗口获得tm模式光谱113tm和te模式光谱113te。
176.在该方法的第一步骤中，将iox制品10装载到棱镜耦合系统28中，并如上所述地针对第一测量波长λ收集第一模式光谱113。
177.在该方法的第二步骤中，处理第一tm光谱113tm和第一te光谱113te以获得tm强度信号和te强度信号与由光电检测器系统130的光敏表面112所捕捉的相应条纹115tm和115te的位置的关系。这等同于强度与耦合角θ的关系，其也等同于强度与有效折射率n
eff
的关系，因为在光敏表面112上的位置、耦合角θ、与在由iox制品10中的iox区域24所限定的波导26中传播的引导光学模式的有效折射率n
eff
之间存在一对一的关系。
178.在第三步骤中，使用来自第二步骤的强度与位置的关系用于确定第一tm模式光谱113tm和第一te模式光谱113te是否是在棱镜耦合系统28的优选测量窗口中获得的(或位于该优选测量窗口中)。在示例中，这包括确定tm模式光谱113tm和te模式光谱113te的全(实数)模式计数或条纹计数的小数部分。全模式计数包括与特定偏振(tm或te)的引导模式的数量相等的整数部分，该整数部分与在测量波长下发生在相应模式光谱113tm或113te的tir区段117中的条纹115tm或115te的数量相同。tm条纹115tm的数量为n
tm
，而te条纹115te的数量则为n
te
。
179.本文中所公开的方法的一个方面涉及确定te模式光谱113te和tm模式光谱113tm的模式的数量(模式数量)的小数部分fp。图8是与图3c类似的示例模式光谱113的一部分的示意图，且绘示可以如何确定te模式光谱113te和tm模式光谱113tm的模式数量的小数部分fp。
180.在示例中，通过比较具有最低有效折射率n
eff
的最后一个引导模式与跟临界角过
渡116对应的有效折射率n
eff
之间的距离来确定模式数量的小数部分fp。对于超出临界角的耦合角θ而言，只有一部分的入射光62f会反射而形成反射光62r，其中入射光的未反射部分作为泄漏模式或辐射模式穿透iox制品10比尖峰深度d1基本上更深。
181.与临界角对应的有效折射率n
eff
称为“临界折射率”，且表示为n
crit
。在一些情况下，临界折射率n
crit
可以等于基板折射率ns。例如，在iox制品10由在含有na
+
(例如，nano3)的浴中化学强化的含li玻璃基板20所形成时，此情况可能发生。
182.最后一个引导模式与临界角n
crit
之间的距离与最后一个引导模式的折射率与临界折射率之间的有效折射率差异δnf对应，该差异由下式所给定：
183.δnf＝min(n
eff
)-n
crit
184.其中min(n
eff
)是特定偏振(tm或te)的所有引导模式的有效折射率中最小的有效折射率，而n
crit
则是同一偏振的临界折射率。
185.通过检查最后一个引导模式115te或115tm与临界折射率n
crit
之间的空间来找出模式计数(即条纹数量)n
tm
或n
te
的小数部分fp。在一些实施例中，通过通过外推有效折射率对模式计数的相依性将δnf与到下一个模式的预期间隔进行比较来确定tm模式计数或tm模式计数的小数部分。在一些实施例中，可以根据整数引导模式来获得有效折射率n
eff
对模式计数的相依性的拟合。然后对该拟合进行外推，且从模式计数n
tm
或n
te
的值向临界角n
crit
分配模式数量，在该值处，外推函数等于测量到的n
crit
。可以直接使用给定模式光谱113tm或113te中的条纹115tm或115te的位置与条纹数量的关系、或角度光谱中的角度与条纹数量的关系来执行此同一程序。
186.继续参照图8，一个确定条纹计数的小数部分fp的方法是考虑会是给定模式光谱中的下一个条纹的虚拟条纹118，但针对临界角过渡116截止虚拟条纹的事实。这可以通过基于现有的条纹间隔进行外推来完成。从最后一个条纹115te或115tm到对应的虚拟条纹118的距离是dvf，使得模式(条纹)计数的小数部分fp是fp＝δnf/dvf，注意，对于tm模式光谱113tm和te模式光谱113te而言，δnf和dvf可以不同。
187.另一个确定条纹计数的小数部分fp的方法是在仅存在两个或三个模式时。在此情况下，也如图3e中所示，可以通过最靠近tir-pir过渡的两个模式之间的间隔ms来对距离dvf求近似。
188.在示例中，在优选的测量窗口内，条纹计数n
tm
或n
te
的小数部分fp是在选定的范围内。在示例中，条纹计数的小数部分fp的范围为0.1到0.85。在另一个示例中，条纹计数的小数部分fp可以大于0.15。在另一个示例中，条纹计数的小数部分fp可以小于0.8(例如，小于0.75或小于0.70)。因此，fp的示例范围包括0.15和0.75或0.15和0.70。
189.在示例中，可以将具有落在上文所阐述的示例fp范围中的至少一者内的小数部分fp的tm模式光谱113tm和te模式光谱113te视为来自在不同波长下截取的一组tm和te模式光谱的“最佳”的tm和te模式光谱。在另一个示例中，将具有最大条纹对比度的tm模式光谱113tm和te模式光谱113te视为来自在不同波长下截取的一组tm和te模式光谱的“最佳”的tm和te模式光谱。在示例中，来自在不同波长下截取的一组tm和te模式光谱的最佳的tm和te模式光谱具有最大的条纹对比度且具有上述fp范围中的一者内的小数部分。若多对tm模式光谱113tm和te模式光谱113te落在选定的fp范围内，则在示例中，选定其模式(条纹)最不受到临界角过渡116tm和116te的影响(即最低失真)的tm和te模式光谱。下文论述构成模
式(条纹)最不受到对应临界过渡的影响的条件的各种选定准则。
190.若tm模式光谱113m和te模式光谱113te中的至少一者的小数部分fp是在选定范围之外，则将棱镜耦合系统28设定到不同的测量条件，该测量条件使得条纹计数的小数部分fp位于选定范围内，这转而允许用较佳的准确度确定iox制品10的至少一个应力参数。
191.在另一个示例中，在优选的测量窗口内，可以不存在靠近临界折射率n
crit
到足以基本上变更临界角过渡116的形状(强度分布)的引导模式或泄漏模式。这是因为，使用临界角过渡116的最大强度斜率的位置来确定iox制品10的应力相关的参数。不利地影响捕捉到的棱镜耦合光谱中的临界角强度过渡的引导模式或泄漏模式共振在本文中称为干扰共振(offending resonance)或干扰模式(offending mode)。
192.如本文中所利用的，若光学传播模式的有效折射率高于临界折射率，则将该光学传播模式称为“引导的”或“束缚的”。如本文中所利用的，若光学传播模式的有效折射率低于临界折射率，则将该光学传播模式称为“泄漏的”。泄漏模式在其有效折射率相接合近临界折射率时产生透射共振，特别是在其基本上较接近最后两个引导模式(即对于特定的偏振而言具有最低有效折射率的两个引导模式)的模式间隔时。
193.如本文中所利用的，“透射共振”指的是给定模式光谱113tm或113te的强度的凹下，在该凹下处，对于n
eff
＜n
crit
而言，强度在正常情况下会随着有效折射率减少而单调地减少。在模式光谱的凹下变得非常接近临界角过渡116时，最大斜率的位置朝向略大的有效折射率偏移，该有效折射率与尖峰区域r1的底部附近的最低材料折射率对应。
194.用类似的方式，由于模式的耦合共振的宽度非零，有效折射率仅略大于临界折射率的引导模式可能使得临界角过渡116附近的强度改变。非零宽度可能是几个因素的结果，包括耦合强度、棱镜耦合系统28中的光学系统的分辨率和由测量区域中的iox制品10的翘曲所造成的像差。
195.在上述情况中的每一者下，在对应共振(束缚模式或泄漏模式共振)的位置是在相对于临界角的一定距离内时，测量到的模式光谱113tm或113te中的临界角的表观位置均明显偏移，该距离在有效折射率的方面与共振的宽度大约相同或更小。
196.因此，在引导模式是在引导模式共振的宽度的0.5fwhm内(例如，0.6fwhm或0.7fwhm)时，可以将测量到的模式光谱113tm或113te视为在优选测量窗口外部。类似地，在泄漏模式的最低强度点是在泄漏模式共振的宽度的0.5fwhm内(例如，0.6fwhm或0.7fwhm内)时，将测量到的模式光谱113tm或113te视为在优选测量窗口外部。
197.在泄漏模式共振距离临界折射率n
crit
较远时，共振是宽且不对称的，且要在工业测量条件下测量和限定其fwhm可能有挑战性。因此，在一些实施例中，可以使用不同的准则来识别给定的泄漏模式是否会不利地影响临界角过渡116。在一个此类方法中，考虑泄漏模式的最低强度点(凹下位置)与临界角过渡116的表观位置之间的距离。
198.在泄漏模式凹下位置与过渡的表观位置之间的距离小于从表观临界角过渡到最接近的引导模式位置的距离的0.2倍、或小于从表观临界角过渡到最接近的引导模式位置的距离的0.3、0.4、或0.5倍时，可以将测量到的模式光谱113tm或113te视为在优选测量窗口内。此距离的选择至少部分地取决于尖峰区域r1的形状，且可以基于来自在多个iox制品10上收集到的数据的经验证据来选择。
199.在另一个示例中，确定tm模式光谱113tm和te模式光谱113te是否都在优选测量窗
口内的步骤是基于最接近的模式(条纹)的强度分布的二阶导数与临界折射率之间的关系，和此最接近的模式与临界角过渡116的表观位置之间的距离。定性地，同一方法适用于针对束缚模式和泄漏模式分析此关系，除了束缚模式的决策阈值不需要与泄漏模式相同以外。
200.在一些实施例中，将干扰模式与表观临界角过渡116之间的距离与数值因子除以模式位置处的光强度的二阶导数的平方根进行比较。这是基于以下观察：单位峰值的共振峰的许多钟形强度分布的半高全宽(fwhm)与共振的位置处(强度凹下的最小值处或强度峰的最大值处)的强度的二阶导数的平方根的倒数成比例。
201.例如，对于单位峰值的洛伦兹式而言，fwhm为约对于单位峰值的高斯式而言，其为约而对于双曲正割而言，其则为约其中i
″
代表强度相对于光谱的水平变量(例如，位置、角度、有效折射率、或点数)的二阶导数。在许多情况下，若过渡与邻近模式之间的距离大于邻近模式的共振的fwhm宽度的约1.8倍，则临界角过渡116的表观位置基本上不受邻近(最接近)模式的影响。
202.在一些实施例中，对于相同的偏振状态而言，在邻近模式的位置与(表观)临界角过渡116之间的距离小于邻近模式的耦合共振的fwhm宽度的1.8倍时，将测量到的模式光谱113tm或113te视为在优选测量窗口外部。
203.在一些实施例中，若它是在小于所述邻近模式的耦合共振的fwhm宽度的1.5倍(例如，小于所述邻近模式的耦合共振的fwhm宽度的1.2、1、0.8、0.6、或0.5倍)内，则将测量到的模式光谱113tm或113te视为在优选测量窗口外部。
204.确定测量到的模式光谱113tm或113te是在优选测量窗口内部还是外部的优选阈值比率可以基于对给定应力参数(例如，膝部应力csk)的测量的高精确度的重要性与具有宽阔的测量窗口的重要性之间的取舍。测量准确度的重要性越大，则最小可接受间隔与fwhm的比率越大，反之亦然。
205.此外，在与给定模式对应的强度分布的形状被洛兰兹曲线很好地描述的情况下，该比率的优选阈值可以较高，例如在0.8到1.8的范围中。在给定模式被高斯曲线很好地描述的情况下，比率的优选阈值可以较低，例如在0.5到1.2的范围中。
206.基于上述考虑，在临界角过渡116的表观位置与邻近干扰模式之间的距离小于或等于约时，将测量到的模式光谱133tm或113te视为在优选测量窗口外部。这是相对严格的准则，用来确保临界角过渡116的表观位置的偏移最多也可以忽略不计。在不同的线形状以和所论述的应力参数(例如，膝部应力csk)的目标准确度与优选测量窗口的宽度之间的优选取舍的各种情况下，可以选择较不严格的间隔阈值。例如，间隔可以小于或等于8.5的因子(例如小于或等于6.8、5.7、4.5、3.4、或2.8的因子)乘以
207.并且，在邻近模式共振的形状远离洛兰兹且更接近高斯，且测量窗口的最大化宽度较优先的一些情况下，模式与表观过渡位置116之间的间隔的优先阈值可以小于或等于2.4(例如小于或等于1.9、1.4、或1.2)乘以
208.可以通过以下步骤来找出邻近模式的位置处的二阶导数：通过低通滤波来将信号
平滑化，数字地找出一阶导数并通过低通滤波将其平滑化，然后数字地找出二阶导数、将其平滑化、并截取模式共振的位置处的值。在一些实施例中，可以通过以下步骤来找出二阶导数：将拋物线(二阶多项式)拟合于最紧邻模式位置的信号，和截取拟合拋物线的二阶导数以用作表示模式的耦合共振的二阶导数。用于找出二阶导数的此类方法在本领域中是已知的。
209.并且，在一些实施例中，将模式共振(引导模式或泄漏模式)附近的强度分布标准化，使得最小强度与0对应且最大强度与1对应，反之亦然。在与引导模式或泄漏模式的最大共振耦合与反射强度的局部最小值对应的反射模式光谱的示例中，可以从整个强度分布减去反射强度凹下的底部处的最小强度，使得第二强度分布在0处具有最小值。然后，将第二强度分布乘以缩放因子，使得局部最小值附近的最大值等于1。这提供了具有从0到1的范围的缩放的标准化的强度分布。然后，在标准化程序之后，可以计算二阶导数。
210.若发现，测量到的tm模式光谱113tm和te模式光谱113te均在优选测量窗口中，则可以使用这些模式光谱来确定膝部应力csk和相关的参数(例如，尖峰深度d1、层深dol等等)。并且，若发现tm模式光谱113tm是在优选测量窗口内，则仅在确定是否使用相同的tm模式光谱和同时测量到的相关联的te光谱113te确定膝部应力csk之前，可以选择该tm模式光谱来基于tm条纹计数计算层深dol。
211.若发现测量到的tm模式光谱113tm或te模式光谱113te中的一者位于优选测量窗口外部，则考虑另一对(第二对)tm模式光谱113tm或te模式光谱113te。可以在确定第一te光谱和第一te光谱中的该至少一者不在优选测量窗口内部之后收集第二对模式光谱113tm和113te。或者，可以使用设定到与获得第一对模式光谱时所使用的测量条件不同的测量条件的棱镜耦合系统28来事先收集第二对模式光谱113tm和113te。
212.在示例中，将棱镜耦合系统28的光源系统60调整为使得对于第二测量而言，光62具有与第一测量不同的波长。可以将第二波长选择为提供优选测量窗口的连续性，使得对于第一波长而言勉强落在优选测量窗口外部的iox制品10对于具有不同波长的第二光谱而言落在优选测量窗口内部。
213.例如，考虑由含li铝硅酸盐玻璃基基板20所形成且具有使用k
+
iox工艺来形成的尖峰区域r1的iox制品。测量到的模式光谱113tm或113te在590nm的第一测量波长下具有约2.1与约3个条纹之间的全模式计数。计算出的表面压缩应力是500到900mpa的范围。
214.此特定的示例iox制品10可以受益于使用第二波长来进行的模式光谱113tm和113te的第二测量，该第二波长比第一波长长达约1％与15％之间，以将条纹计数范围偏移到具有2.3到2.7的全模式计数的范围的优选工艺(测量)窗口内部。
215.类似地，在测量到的模式光谱113tm或113te产生恰好小于优选测量窗口的下端的模式计数时(对于当前的情况而言，是在条纹计数落在1.75-2.1个条纹的范围中时)，则取决于模式条纹计数落在优选测量窗口外部有多远，可以使第二波长相对短达约1％与25％之间。
216.可以通过作出更大的波长偏移(例如达18％、25％、或30％)来使用优选测量窗口的更明显的偏移。可以使用较大的测量波长偏移，来通过组合两个不同测量波长的测量窗口建立较大的测量窗口。
217.在示例中，避免在尖峰需要介于两个相邻测量波长之间的波长落在优选测量窗口
内部的状况。在示例中，对于具有线性形状且表面折射率增量δn大于基本折射率n的尖峰而言，条纹计数n、测量波长λ、与尖峰深度d1或dol
sp
之间的关系为：
[0218][0219]
因为确定条纹计数的其他参数对于测量中的两个偏振状态而言是相同的，所以tm模式光谱113tm与te模式光谱113te之间的条纹计数的差异取决于两个模式光谱之间的δn的差异。若表面压缩应力标记为cs，且膝部应力为csk，则两个偏振之间的δn差异大约等于(cs-csk)/soc，其中soc是应力光学系数。对于大多数的化学强化玻璃而言，soc一般是在3
×
10-6
riu/mpa的15％内，其中riu代表折射率单位。
[0220]
对于在na基或li基玻璃基板20中由使用k来进行的iox工艺所产生的尖峰而言，tm与te之间的δn的差异通常为两个δn值的平均值的约1/5.6。若δn的应力诱发的双折射率标记为δn
tm-te
，则两个偏振之间的条纹计数的差异为：
[0221][0222][0223]
这意味着，te偏振状态的条纹计数一般为tm偏振状态的条纹计数的约10/11。因此，te的条纹计数的差异为：
[0224][0225]
将模式计数差异与tm模式计数相关的0.09的因子将随着soc的变化而略有变化，且大约与soc与3
×
10-6
的比率的平方根成比例。对于范围从约2
×
10-6
到约4.5
×
10-6
的soc而言，对应的因子会在约0.073与约0.11之间变化。
[0226]
在已经确定每个偏振的优选测量窗口均具有介于约0.1与0.8之间(例如约0.15与0.75之间)的条纹计数的小数部分fp的情况下，每个偏振的优选测量窗口均可以跨越约0.6个条纹。假定在tm条纹计数与te条纹计数之间存在偏置，与单偏振优选测量窗口相比，用于同时准确地测量tm偏振和te偏振中的临界折射率的有效优选测量窗口会减少达tm与te之间的模式计数的差异。
[0227]
在0.073n
tm
≤δn
tm-te
≈0.11n
tm
的情况下的典型玻璃的示例中，对于具有约2.6个tm条纹115tm的tm模式光谱113tm而言，优选测量窗口从单独tm偏振的约0.6个条纹减少到0.6-(0.19至0.29)＝(0.31至0.41)个条纹。类似地，对于具有3.6个tm条纹115tm的目标tm模式光谱113tm而言，优选测量窗口从约0.6减少到约0.6-(0.26至0.40)＝(0.2至0.34)个条纹。在前者的情况下，取决于soc的值，减少介于约1/3与1/2之间，而在后者的情况下，减少大约为从单偏振优选窗口的约1/2到约2/3。因此，tm模式光谱113tm与te模式光谱113te之间的条纹计数的偏置基本上会减少单个优选测量窗口内可用的连续工艺窗口的有效宽度。
[0228]
在第一测量波长下所测量到的第一tm光谱113tm或第一te光谱113te落在优选测量窗口内部的一些实施例中，使用在不同(第二)的测量波长下所测量到的模式光谱来将tm光谱和te光谱定位在优选测量窗口内部。若具有较大条纹计数的模式光谱(通常是tm光谱113tm)具有约2.75个与3.15个之间的条纹，则可以增加测量波长以使得tm光谱的条纹计数处于优选范围2.15-2.75中。
[0229]
为了使用单个较长的波长来将整个未涵盖的范围2.75-3.15个条纹偏移到优选测量窗口2.15-2.75个条纹，单个较长的第二波长可能最好比第一测量波长长至少12％，优选地长14％或更长。
[0230]
另一方面，可能需要确保测量的连续性，使得没有iox制品在第二(较长的)波长下也落在优选测量窗口外部，该iox制品在第一测量波长下在具有较高条纹计数的偏振状态下具有2.75个与3.15个之间的条纹。因此，对于较长的第二测量波长而言，另一个偏振状态下的条纹计数可能最好不落在优选测量窗口之外。在本示例中，使用波长的改变来将模式计数从范围2.15-2.75个条纹偏移到小于约2.1个条纹。
[0231]
在示例中，对于具有约的soc的典型玻璃而言，较高条纹计数的偏振在第一波长下可以具有2.6-2.75个条纹，而较低条纹计数的偏振则可以具有2.35-2.55个条纹。然后，对于具有较低的2.35的条纹计数的示例而言，超出12％的波长增加会使得所述较低的条纹计数降低到小于2.1，从而落在优选测量窗口之外。
[0232]
另一方面，对于2.55的模式条纹计数而言，高达19.6％的波长增加会将对应的模式光谱保持在2.1-2.8个条纹的扩展的优选测量窗口内。因此，对于典型的玻璃基板而言，第二波长的波长改变最好不超过第一波长的20％，例如不超过第一波长的12％。
[0233]
在一些实施例中，最好连续能够在两个或更多个波长之中可用的优选测量窗口内测量iox制品10，而不是通过通过切换到较长的波长涵盖整个有问题的2.75-3.15个条纹的范围来获得优选测量窗口的最大可能扩展。因此，使波长增加超过第一波长的12％或14％可能是合乎需要的，但可能不是必需的或强烈优选的。另一方面，可能强烈地优选的是，对于一些玻璃而言，使得波长增加小于20％，或者对于大多个玻璃而言，使得波长增加小于12％，以在各式各样的iox制品10之中实现用目标测量光谱为中心且具有2.1-2.8个条纹的优选测量窗口的连续可用性。存在具有基本上较低(例如在0.5
×
10-6
到的范围中)的soc的较不常见的玻璃，对于玻璃而言，对于具有较低条纹计数的偏振而言，可能使用明显较大的波长增加而不会落在优选测量窗口之外。
[0234]
下面的表格1到4中给出了用布鲁斯特(brewster)或为单位测量的4个不同值的应力光学系数的优选波长改变的示例。针对因为两个条纹计数中较大的条纹计数超过测量窗口的上端所以优选的改变是增加波长的情况给出这些示例。在较小条纹计数落在优选测量窗口的底部下方时，优选的改变是使波长较短，且与表格1到4的示例中类似的波长百分比改变会是优选的。
[0235]
表格1针对具有约1b的soc的材料，针对具有不同条纹计数的测量窗口提供了优选波长改变。
[0236]
表格1
[0237][0238]
表格2针对具有约2b的soc的材料，针对具有不同条纹计数的测量窗口提供了优选波长改变。
[0239]
表格2
[0240]
[0241][0242]
表格3针对具有约3b的soc的材料，针对具有不同条纹计数的测量窗口提供了优选波长改变。
[0243]
表格3
[0244]
[0245][0246]
表格4针对具有约4b的soc的材料，针对具有不同条纹计数的测量窗口提供了优选波长改变。
[0247]
表格4
[0248][0249]
表格1到4中的示例证明，在一些情况下，改变波长高达第一测量波长的约28％可能是有利的。在许多情况下，可以用显著较小的波长改变(例如，在8-24％的范围中)来获得主要益处。每偏振状态包含更多的条纹的模式光谱需要较小的波长偏移来为两个波长同时实现优选的窗口条件。对于此类情况而言，可能需要几个离散的波长(3或更多个)来提供具有连续的准确的质量控制测量覆盖性的足够宽广的制造窗口。
[0250]
示例iox制品
[0251]
在示例中，iox制品10由玻璃基板20所形成，该玻璃基板具有63.16摩尔百分比的sio2、2.37摩尔百分比的b
2 o3、15.05摩尔百分比的al
2 o3、9.24摩尔百分比的na
2 o、5.88摩尔百分比的li
2 o、1.18摩尔百分比的zno、0.05摩尔百分比的sno2和2.47摩尔百分比的p
2 o5的组成，和约3b的soc。采用了用于化学强化的diox工艺。在第一k
+
–
l
+
iox步骤(即将k
+
用作输入扩散离子i1)之后，tm模式光谱115tm和te模式光谱115te在第一测量波长λ＝590nm下各自具有2个与3个之间的条纹。在第二iox步骤之后，tm模式光谱115tm和te模式光谱115te在590nm下各自具有3个与4个之间的条纹。与k
+
基尖峰区域r1的形成相关联的表面应力cs通常是在500到640mpa的范围中。在将na+用作输入扩散离子i2来进行的第二iox步骤之后的表面应力cs一般是在750-950mpa的范围中。
[0252]
使用本文中所述的方法，在使用分别用545nm、590nm和640nm的测量波长λ为中心的三个测量波长窗口时，步骤1和步骤2的测量需求可以利用连续的有效优选测量窗口来完全满足。并且，在示例中，在这些测量波长下，测量光62的光谱带宽最好分别不超过约8nm、9nm和10nm。为了甚至更高的条纹对比度，可以将光谱带宽分别限于4nm、5nm和6nm。因此，在示例中，每个测量波长均具有10nm或更小的光谱带，或在另一个示例中具有6nm或更小的光谱带。
[0253]
在条纹计数在步骤2之后接近590nm测量窗口的任一边缘时，取决于测量窗口的上端或下端是否接近590nm，通过增加或减少测量波长来使模式光谱回到优选测量窗口内部。在使用三个测量波长实施例的另一个示例中，最短的测量波长为约540nm，中间测量波长为约595nm，而最长的测量波长则为约650nm。
[0254]
尽管上文已经通过示例的方式论述了两个或三个测量波长，但也可以使用任何合理的测量波长数量。例如，使用两个测量波长可以增加测量窗口高达2倍，且可能足以满足合理制造工艺窗口的需求。另一方面，在尖峰深度d1相对较大且每个偏振状态均产生几个(例如，3、4、或更多个)条纹的一些情况下，或在soc非常高(例如4b)时，多于三个的波长可能是优选的。与上面的三个波长的示例相比，可以将多个测量波长定位得较接近在一起，例如分别相隔平均波长的7.6％和9.2％，该平均波长在这些示例中是三个测量波长的中间。
[0255]
示例性方法会抑制对膝部应力csk的测量和对尖峰深度dol
sp
的测量的系统误差。在将多个测量波长仔细选择为接近到足以允许不同波长下的优选测量窗口之间的无缝过渡时，可以基本上完全抑制系统误差。这意味着，相邻波长下的优选测量窗口可能至少略微重迭。
[0256]
表格1到4中所列出的示例允许选定保证此类重迭的优选波长偏移，并对于可能涵盖连续的制造条件范围的一系列试样而言允许基本上不含系统误差的测量。另一方面，在波长被隔开得比保证窗口重迭的优选间隔略大时，会获得测量能力的最大扩充，但用仅部分抑制系统误差为代价。仍然存在以下可能性：某些iox制品10可能显示出相对于准确测量的偏差，即使由于利用多个优选测量窗口来大大增加生产范围的覆盖性而减少了存在此类试样的可能性。
[0257]
在一些实施例中，在tm光谱113tm和te光谱113te中的至少一者不处于优选测量窗口中时所采取的改正动作包括改变接合流体52(例如，折射率油)的厚度以帮助使有问题的光谱位于优选测量窗口内部。因为可以将接合流体视为波导26的一部分，所以这是可能的。用此改正动作解决的主要问题是正确地(即在选定容差内)确定膝部应力csk。测量波长下的接合流体52的优选折射率高于产生有问题的光谱的偏振状态的临界折射率。并且，接合流体52的优选折射率比临界折射率高不大于0.1，例如高不大于约0.06，或高不大于0.04。在一些实施例中，可以将接合流体52选定为具有尽可能接近玻璃的表面上的预期折射率(例如，钾尖峰的表面折射率)的折射率。
[0258]
具体地，接合流体折射率nf可以是在表面折射率n0的约0.004或0.003内。由于尖峰中的大量表面应力，对于tm偏振和te偏振而言，表面折射率n0通常不同，但差异通常小于0.004，且大多数通常小于0.003。如上所述，接合流体52位于耦合棱镜40的棱镜耦合表面44与iox制品10的表面12之间，且可以使用真空系统56来控制接合流体的厚度th。起初，真空量可以相对较高，从而使得接合流体52的厚度th相对较小，例如，200nm或更小，或甚至
100nm或更小。在接合流体52的此厚度th的情况下，可以用适当的准确度测量表面压缩应力cs和尖峰深度d1。尖峰深度d1可能被高估得高达0.1微米或甚至0.2微米，这在许多情况下可能是可接受的。由于在事实上接合流体厚度可能高达0.1或甚至0.2微米时假设接合流体厚度为0，表面压缩应力cs可能被稍微低估。
[0259]
在示例中，将接合流体52的厚度th调整为使其增加泄漏模式的有效折射率以将其转变成波导26的准引导模式，其中准引导模式具有比与临界角过渡对应的折射率的有效折射率高的有效折射率。
[0260]
在另一个示例中，将接合流体52的厚度th调整为使得增加泄漏模式的有效折射率以将其转变成准引导模式波导26，使得新的模式计数的小数部分fp现在落在优选(扩展)测量窗口mwe中，其中接合流体的折射率可以比与临界角对应的折射率高。
[0261]
在另一个示例中，将接合流体52的厚度th调整为减少泄漏模式的有效折射率以将其转变成波导26的准引导模式，使得新的模式(条纹)计数的小数部分fp现在落在优选测量窗口mwe中。在此情况下，接合流体52的折射率可以比与所述临界角对应的折射率低。
[0262]
另一个示例包括改变接合流体52的折射率，以改变泄漏模式的有效折射率以将其转变成具有高于临界角有效折射率的有效折射率的准引导模式。示例也可以包括改变条纹计数的小数部分fp，使得小数部分fp落在与优选测量窗口相关联的小数部分范围内。在本文中的说明中，改变接合流体52的折射率包括用具有第二折射率的第二接合流体替换具有第一折射率的第一接合流体的至少一部分。此工艺可以用来基本上限定第一折射率与第二折射率之间的任何折射率。
[0263]
一旦使棱镜耦合系统28处于所需的配置且收集到模式光谱113，就接着记录cs和dol值。若tm模式光谱113tm和te模式光谱113te均如上所述地落在优选测量窗口内，则通过相应的临界角过渡116的强度分布的最高斜率的位置来测量tm临界折射率和te临界折射率n
crit
。这提供了双折射率的度量，其用来计算膝部应力csk。
[0264]
另一方面，若tm模式光谱115tm和te模式光谱115te中的至少一者不在优选测量窗口中，则有问题的tm模式光谱或te模式光谱中的泄漏模式或引导模式可能具干扰性，即具有太接近临界折射率的有效折射率且不利地影响临界角过渡116的表观位置。在这一点上，可以例如通过减少真空(例如，增加压力)来增加接合流体52的厚度th，直到有问题的泄漏模式或引导模式的有效折射率增加到足以不具干扰性(即变得比临界折射率大到足以使得临界角过渡116基本上不受干扰且可以准确地测量给定偏振的临界角并因此准确地测量给定偏振的临界折射率)为止。
[0265]
会是优选的是，同时测量tm偏振和te偏振的临界角，但这并不是必需的。若在采取改正动作之前，另一个偏振状态的第一测量到的模式光谱位于优选测量窗口中，则可能通过使用折射率匹配流体52的原始厚度使用另一个偏振状态的测量到的临界角位置来测量csk。选择同时进行tm模式光谱113tm和te模式光谱113te的测量有助于避免来自棱镜耦合系统28的可能随着时间的推移发生的微小改变的误差。
[0266]
实验结果
[0267]
图9是iox制品10的第一iox工艺的尖峰深度d1(μm)与时间t1(小时)的关系图，该iox制品使用锂基铝硅酸盐玻璃基板20来制成。空心方形是使用具有在595nm的单个测量波长λ下操作的光源系统60的棱镜耦合系统28来进行的测量。深色圆圈是利用具有光源系统
60的棱镜耦合系统28进行的测量，该光源系统被配置为在用540nm、595nm和650nm为中心的三个不同的测量波长λ下操作。
[0268]
单波长测量法的初始(“原始”)测量窗口mwo用长虚线描绘，而如本文中所述的三波长测量法和棱镜耦合系统的扩展(优选)测量窗口mwe用短虚线示出。与单波长测量窗口mwo相比，使用三个测量波长λ的扩展测量窗口mwe明显扩展。因为iox工艺时间限定了iox制品10的折射率分布，所以具有较宽广的iox工艺时间范围的扩展测量窗口mwe意味着，可以针对至少一个应力特性(例如膝部应力csk)表征具有较大的基于尖峰的折射率分布范围的iox制品。
[0269]
图10是由含锂铝硅酸盐玻璃基板20所形成的示例iox制品10的膝部应力csk(mpa)与tm模式(条纹)计数n
tm
的关系图。单波长测量在595nm的测量波长λ下进行，且由x所表示。三波长测量在540nm、595nm、650nm的测量波长下进行，且由深色方形所表示。单波长测量不遵循随着模式计数增加而减少的csk的单调连续减少，而三波长测量则在由不超过20mpa的相对较小的测量噪声所限制的精确度内遵循此类模式。利用两步骤iox工艺来获得模式计数的增加，其中步骤1对于所有试样而言都相同，而在步骤2中，不同试样之间的扩散时间不同，所有试样都使用相同的步骤2iox浴。在此数据集中，tm模式(条纹)计数在约3与约4.5个模式之间变化。te模式计数对于同一数据集而言比tm模式计数低达约9％(0.3-0.4个条纹)，且对于环绕的数据点而言位于扩展测量窗口外部。
[0270]
图11是图5中所测量的同一iox制品10的在两步骤离子交换(diox)之后测量到的膝部应力csk与扩散(离子交换)时间t(小时)的关系图。csk的预期趋势是随着时间t增加而缓慢单调地减少。用x符号示出单波长(λ＝595nm)测量值，而将三波长(λ＝540nm、595nm和650nm)测量结果示为深色方形。即使三个波长之间的距离比连续覆盖的最佳值更大，与单波长测量相比，三波长测量的数据点也较佳地遵循预期的单调趋势(虚线)。因此，具有发射两个或更多个紧密隔开的测量波长(例如，λ＝545nm、590nm和640nm)的光源系统60的棱镜耦合系统28显著减少了与预期单调趋势的偏差，这转换成对应力相关特性更准确的测量。
[0271]
图12与图4类似，且针对使用具有595nm的单个测量波长的单波长棱镜耦合系统28(空心方形)和具有540nm、595nm和650nm的三个测量波长的棱镜耦合系统28(深色圆圈)来进行的测量绘制图6的iox制品10的尖峰深度d1(微米)与时间t(小时)的关系。单波长测量窗口mwo用长虚线示出，而扩展测量窗口mwe则用短虚线示出。在优选测量窗口的右上边缘上，由于干扰tm泄漏模式接近tm临界角过渡116，报告的尖峰深度d1落在准确值下方。同样地，在优选测量窗口的左下边缘上，干扰te引导模式发生得太接近临界角过渡116。因为绘图中的尖峰深度d1是仅基于tm模式光谱113tm来测量的，即使尖峰深度d1不受影响，膝部应力csk也可能被低估。可以通过包括来自te模式光谱113te和tm模式光谱113tm的数据来获得对膝部应力的更准确的估算。
[0272]
图13a和13b是tm模式光谱113tm和te模式光谱113te的示意图，其分别包括四个tm模式或条纹115tm和te模式或条纹115te。图13a示出单个测量波长的模式光谱113tm和113te，而图13b则示出三对模式光谱113tm和113te，545nm、590nm和640nm的三个测量波长中的每一者均与一对模式光谱对应。图13a的单波长系统的有效测量窗口mwo具有约0.5个条纹的尺寸，而所测量的图13b的三波长系统的扩展测量窗口mwe为约0.9个条纹，或单波长测量窗口mwo的尺寸的约两倍。
[0273]
易碎性
[0274]
易碎行为或“易碎性”指的是在玻璃基制品经受撞击或损害时的特定断裂行为。如本文中所利用，在玻璃基制品(且特定而言例如是本文中所考虑的玻璃基iox制品10)由于易碎性测试在测试区域中展现出以下条件中的至少一者时，将该玻璃基制品视为不易碎：(1)四个或更少的具有至少1mm的最大尺度的断片；和/或(2)分叉数量小于或等于裂缝分支的数量。基于用撞击点为中心的任何2英寸乘2英寸的方形，将断片、分叉和裂缝分支计数。因此，若对于用撞击点为中心的任何2英寸乘2英寸的方形而言，玻璃基制品满足测试(1)和(2)中的一或两者，则将该玻璃基制品视为是不易碎的，在该撞击点处，依据下文所述的程序产生破裂。在各种示例中，化学强化的iox制品10可能是易碎或不易碎的。
[0275]
在易碎性测试中，使撞击探针与玻璃基制品接触，其中撞击探针延伸到玻璃基制品中的深度在相继的接触迭代中增加。撞击探针的深度的逐步增加允许由撞击探针所产生的缺陷到达张力区域，同时防止施加过量的外力，过量的外力会防止准确地确定玻璃的易碎行为。在一个实施例中，玻璃中的撞击探针的深度可以在每次迭代中增加达约5μm，其中在每次迭代之间均移除撞击探针而不与玻璃接触。测试区域是用撞击点为中心的任何2英寸乘2英寸的方形。
[0276]
图14a描绘呈示例iox制品10的形式的测试玻璃基制品的不易碎测试结果。如图14a中所示，测试区域是用撞击点530为中心的方形，其中方形的侧边的长度a为2英寸。图14a中所示的不易碎试样包括三个断片542和两个裂缝分支540和单个分叉550。因此，图14a中所示的不易碎的iox制品10包含少于4个具有至少1mm的最大尺度的断片，且分叉的数量小于或等于裂缝分支的数量。如本文中所利用，裂缝分支起源于撞击点530处，且若断片的任何部分延伸到测试区域中，则将断片视为位于测试区域内。
[0277]
尽管可以与本文中所述的强化玻璃制品结合使用涂层、黏着层等等，但此类外部约束并不用于确定玻璃基制品的易碎性或易碎行为。在一些实施例中，可以在易碎性测试之前将不影响玻璃基制品10的断裂行为的膜施加到玻璃基制品，以防止断片从玻璃制品弹射，从而增加执行测试的人员的安全性。
[0278]
图14b描绘呈示例iox制品10的形式的测试玻璃制品的易碎测试结果。易碎的iox制品10包括5个具有至少1mm的最大尺度的断片542。图14b中所描绘的iox制品10包括2个裂缝分支540和3个分叉550，从而产生比裂缝分支还多的分叉。因此，图14b中所描绘的iox制品10并不展现出以下条件中的任一者：四个或更少的断片，或分叉的数量小于或等于裂缝分支的数量。
[0279]
在本文中所述的易碎性测试中，用一定力将撞击递送到玻璃基制品的表面，该力恰好足以释放存在于强化玻璃基制品内的内部存储能量。也即，点撞击力足以在强化玻璃基制品的表面处产生至少一个新的裂缝并使裂缝延伸通过压缩应力cs区域(即层深)到处于中心张力ct下的区域中。
[0280]
本领域中的技术人员将理解到，可以在不背离如所附权利要求书中所限定的本公开的精神或范围的情况下对如本文中所述的公开的优选实施例作出各种更改。因此，若更改和变化落在所附权利要求书和其等效物的范围内，则本公开涵盖这些更改和变化。