[發明專利]測量玻璃樣品的分布特征的系統和方法

在審

• 申請號: 201380067914.3
• 申請日: 2013-10-24
• 公開（公告）號: CN104919301A
• 公開（公告）日: 2015-09-16
• 發明（設計）人: N·H·方丹;V·M·施奈德
• 申請（專利權）人: 康寧股份有限公司
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01N21/23;G01M11/00;G01L1/24
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 侯穎媖

本申請根據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的優先權益，本申請基于該臨時申請的內容并且該臨時申請的內容通過引用整體結合于此。

技術領域

本公開有關于光學地表征玻璃的系統和方法，尤其有關于測量玻璃樣品的分布特征的系統和方法。

背景技術

離子交換和其他的玻璃強化過程能夠在玻璃中創造應力，提升光學雙折射性。在玻璃內形成的壓縮和拉伸應力區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出，其中兩個偏振態的折射率分布差別表示雙折射性。應力通過光學應力系數與雙折射性相關。應力的特征(分布)可能非常復雜，并且取決于許多因素，包括基玻璃材料，玻璃生產過程和下游制造過程。

玻璃零件中的應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究期間，使用了多種質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力上的變化。

一種被用于在離子交換、平面光波導中測量折射率和雙折射性分布(由此得到應力)的技術是折射近場(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。測量光穿過玻璃零件和參考塊，并且被非常靠近參考塊的頂部安置的光檢測器檢測。在美國專利號5280334中公開了RNF系統的例子。

現有技術的RNF系統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系統的光學中或者甚至玻璃樣品本身內的缺陷(例如，氣泡和其他“晶粒(seeds)”)引起。如此的散射光可導致玻璃零件的折射能力的錯誤測量。

發明內容

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系統和方法。示例分布特征是光的正交偏振的折射率分布、雙折射性和應力的分布。系統和方法運行在毫米數量級的經擴展掃描深度范圍內。由于對TE和TM偏振態幾乎同時的測量，系統對于雙折射性測量具有低熱學敏感性及時間敏感性。這是通過使用偏振轉換器而獲得，該偏振轉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)在TE和TM偏振之間轉換測量光。此轉換大大地降低了雙折射性測量對光源的光學功率波動以及對環境中震動的敏感度。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準確的應力測量。

功率監測參考光檢測器與信號光檢測器同步地運行，為了執行經偏振轉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換器傳輸的功率的偏振依賴性引起的信號變化。通過阻隔不需要的光(例如散射和多重反射光)到達信號和參考檢測器，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。

信號光檢測器通常按其光感應表面垂直于并共軸于入射在其上的光束(大約在(β_最大–β_最小)/2的角度，且η＝0；圖1)的中心線來放置。當這樣放置用于消除高折射率半導體光檢測器在大入射角度使用時表現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。

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。第二扇形光闌定義了阻隔圓盤的最小通過角β_最小。最大通過角β_最大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。

第二孔徑光闌放置在參考塊的頂部表面的正上方，例如，0.6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。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β_最小和到最大角β_最大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。