CN105705936B - 用于表征弯曲的零件的棱镜耦合系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于表征弯曲零件(20)的棱镜耦合系统和方法。耦合棱镜(40)的耦合表面(44)与该弯曲零件的弯曲的外表面对接以限定耦合界面(50)。引导测量光经过该耦合棱镜并到达该界面，其中，该测量光具有3mm或更小的宽度。数字地捕获从该界面反射的TE与TM模谱。这些模谱被处理以确定弯曲零件的至少一个特性，诸如应力分布、压缩应力、层深、折射率分布以及双折射性。

Description

用于表征弯曲的零件的棱镜耦合系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§120要求2013年8月29日提交的美国申请S/N14/013,481的优先权益，本申请基于该申请的内容并且该申请的内容通过引用整体结合于此。

技术领域

本公开涉及测量零件中的应力，并且更具体地涉及用于光学地表征弯曲的零件的棱镜耦合系统和方法。

背景技术

化学强化的玻璃零件对于多种应用变得重要，这些应用包括：用于智能手机与平板的有弹性、防碎且防刮痕的、启用触摸的、保护性平面覆盖窗。这些玻璃零件比热钢化玻璃更薄更轻还更坚韧，由于通过离子交换过程可获得的高表面压缩(例如，在8×10⁸Pa的数量级上)。

用于测量应力分布(stress profile)的两个主要参数(表面压缩应力(CS)和层深(DOL))的快速非破坏性技术助推了这种平面玻璃产品的迅速采用、连续改进和惊人的市场增长。可使用市场上购买的到的高分辨率棱镜耦合系统(诸如，由日本的Orihara工业有限公司制作的并且由Luceo销售的FSM-6000LE)作出这种测量。第三关键参数，中心拉力(tension)(CT)可通过在压缩力与张力(tensile force)之间行使力平衡要求来推断。

棱镜耦合系统捕获离子交换区域的横电(TE)与横磁(TM)光学传播模式的角耦合光谱(“模谱”)。通过使用应力-光学系数(SOC)从两个光谱之间的差异提取应力。归因于小的SOC(～3x10^–6RIU/MPa，其中RIU代表折射率单位)，折射率的应力诱导部分表示两个较大折射率数值之间的小差异。因此，恢复的TE与TM分布中的小误差强烈地影响应力分布的大小与形状。为了最小化这种误差，TE与TM模谱的高分辨率捕获是必要的。

化学强化的玻璃零件的优秀强度属性使他们期望地替换现有的弯曲玻璃零件(诸如试管)并且替换个人电子设备的非平面外部玻璃或塑料零件。然而，这种弯曲零件上的TE和TM模谱的快速非破坏性测量对于测量一个或多个特性(诸如应力分布或其关键参数中的一些)的目的被证明是有问题的。

发明内容

本公开的一方面是一种用于确定具有弯曲的外表面的弯曲零件的至少一个特性的方法。此方法包括将耦合棱镜的耦合表面与该弯曲的外表面对接(interface)以限定耦合界面。此方法还包括引导测量光经过耦合棱镜并到达该界面，其中，所述测量光具有3mm或更小的宽度。此方法进一步包括数字地捕获从该界面反射的TE与TM模谱。此方法还包括处理TE与TM模谱以确定该弯曲零件的至少一个特性。在示例中，所述至少一个特性是从多个特性的组中选择的，这些特性包括：表面应力、应力分布、压缩应力、层深、折射率分布以及双折射性。

本公开的另一方面是一种用于确定具有弯曲的外表面的弯曲零件的至少一个特性的方法。此方法包括：将聚焦的测量光引导到耦合棱镜组件，所述耦合棱镜组件具有与弯曲零件的外表面对接的耦合棱镜以限定耦合界面，其中所述弯曲的外表面由半径R1≥0.5mm和半径R2≥20m来限定；从所述耦合界面反射所述测量光，同时在所述反射之前将所述测量光约束成具有3mm或更小的宽度；检测所反射的测量光以获取TE与TM模谱；以及处理所述TE与TM模谱以确定所述弯曲零件的至少一个特性。

本公开的另一方面是一种用于确定具有弯曲的外表面的弯曲零件的至少一个特性的棱镜耦合系统。该系统包括：光源系统，产生测量光；耦合棱镜组件，具有耦合棱镜，所述耦合棱镜具有输入与输出表面以及耦合表面，所述耦合表面与所述弯曲的外表面对接以限定耦合界面，其中所述耦合棱镜组件包括用于将测量光的宽度限定为3mm或更小的装置；检测器系统，布置成接收从所述界面反射的并且离开所述输出表面的测量光以数字地捕获TE与TM模谱；以及控制器，用于处理所述TE与TM模谱以确定所述弯曲零件的至少一个特性。

在以下的详细描述中陈述了附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言根据所作描述就容易理解，或者通过实施详细描述、权利要求书以及附图所述的实施例而被认识。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

所包括的附图用于提供对本说明书进一步的理解，且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1A是示例弯曲零件的等距视图；

图1B是如在x-y平面作出的并且示出第一曲率半径(R1)和具有层深(DOL)的离子交换区域的图1的弯曲零件的截面图；

图1C是如在y-z平面中作出的并且示出第二曲率半径(R2)的图1A的弯曲零件的截面图；

图1D类似于图1A并且示出第二曲率半径无穷大的理想圆柱形零件的示例；

图2是可用于使用本文所公开的方法来测量弯曲零件的模谱的棱镜耦合系统的示例实施例的示意图；

图3A是图2的棱镜耦合系统的示例光电检测器系统的放大图，示出了TE/TM偏光器和检测器；

图3B是使用图2的棱镜耦合系统由图3A的光电检测器系统捕获的TE与TM模谱的示意图；

图4A是图2的棱镜耦合系统的示例耦合棱镜组件的特写图，示出耦合棱镜和光约束构件，该光约束构件被布置成邻近该耦合棱镜输入表面并且具有窄槽，该窄槽将在棱镜耦合表面上可得的光约束到不限于z方向上的窄空间区域；

图4B类似图4A并且示出布置成邻近输入表面而不是输入表面的光约束构件；

图4C是如布置在图4A或图4B中的耦合棱镜的俯视图，示出限定零件-棱镜耦合界面的光学接触的长区域和窄区域，并且示出由测量光束形成的照明区域；

图4D是图4C的照明区域的立视图，示出y-z平面和具有出面(out-of-plane)角(如投射到x-z平面上)的示例出面光束；

图5A和5B是图4A和4B的示例光约束构件的立视图和正视图；

图6A是示例耦合棱镜的立视图，其中输入与输出表面包括限定狭缝开口的不透明区域；

图6B是在耦合表面上具有弯曲部分的示例耦合棱镜的立视图；

图6C是结合图6A和6B的耦合棱镜的特征的示例耦合棱镜的立视图；

图7A是包括由两个不透明光吸收块体支撑的薄棱镜的示例耦合棱镜；

图7B类似于图7A并且示出耦合棱镜具有弯曲耦合表面的示例；

图7C类似于图7B并且示出一示例，其中耦合棱镜具有顶部和限定弯曲耦合表面的可替换凹平圆柱形透镜部分；以及

图8是用于保持并对准图2的棱镜耦合系统内的有限直径与有限长度的弯曲零件的示例对准夹具的俯视图。

在一些附图中显示的任何坐标与轴是为了参考起见并且不意在对方向或取向进行限制。另外，对诸如“竖直”和“水平”之类的方向的引用是为了相对于给定附图中的选择特征的容易讨论而使用的并且不意在作为对方向或取向进行限制。

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献的整个公开通过引用结合于此，包括美国专利申请S/N 13/463,322和61/706,891。

弯曲零件

图1A是示例弯曲零件20的等距视图，并且图1B是在x-y平面作出的该弯曲零件的截面图。弯曲零件20具有主体22和弯曲的外表面24。在示例中，弯曲零件20由玻璃制成并且具有基(或整体)折射率n_s。图1A示出笛卡尔坐标系，连同极坐标(r,θ)。图1C是在y-z平面作出的弯曲零件20的截面图。在示例中，弯曲零件20可以是杆，或者它可以是具有中空内部的管子。在示例中，弯曲零件20具有中心轴A0。

弯曲零件20的外表面24具有x-y平面中的第一曲率半径R1和y-z平面中的第二曲率半径R2。在示例中，第一曲率半径R1可以相对较小而第二曲率半径R2相对较大。在示例中，第一曲率半径R1≥0.5mm，而第二曲率半径R2≥20m。在如图1D所示的弯曲零件20的示例中，第二曲率半径R2＝∞，从而图1D是圆柱。曲率可以如作为示例所示是向外的，或者也可以是向内的。在本文中使用第一与第二半径R1与R2来描述向内或者向外的曲率。

在第二曲率半径R2≠∞的示例中，与第一曲率半径R1相比，第二曲率半径R2足够大，弯曲零件20在其用于作出模谱测量的表面的一部分中基本上是圆柱形的或圆锥形。第二曲率半径R2部分地由耦合棱镜40的尺寸规定(下面联系图2介绍和讨论)。在示例中，第二曲率半径R2在z方向上比耦合棱镜40的长度长很多倍。

并且在示例中，第一曲率半径R1不需要是常数，如在圆锥表面的情况下。弯曲零件20也可具有复杂的表面，诸如平面部分和弯曲部分的组合，出于容易说明的目的，在附图中示出简单的弯曲零件。

在示例中，弯曲零件20由经受离子交换过程的玻璃制成，其中，至少一种类型的离子已经被交换经过外表面24而进入主体22。离子交换过程限定了离子交换区域25(图1B和图1C)，该离子交换区域25具有折射率分布n(r)，该折射率分布n(r)对于s偏振(横电，TE)光和p偏振(横磁，TM)光可以是不同的，p偏振光是平行于其入射平面偏振的。

如从外表面24向内(即，沿垂直于外表面24的方向)直接测量的离子交换区域25的(径向)深度被称为“层深”或DOL。DOL的示例范围是从5到150微米。DOL通常比样本的厚度的一半小，包括样本是中空管并且样本厚度由管壁的厚度来表示的情况。

在弯曲零件20中形成离子交换区域25的离子交换过程可提升弯曲零件20的外表面24处或附近的双折射性B。此双折射性B可用于利用已知技术来计算外表面24处(或附近)的应力(例如，压缩应力CS)和/或应力分布S(r)。应力分布经由S(r)＝B(r)/SOC与双折射性B相关，其中SOC是应力-光学系数并且B(r)＝[n_TM(r)–n_TE(r)]。

使用用于测量平面零件的现有的基于棱镜耦合的光学仪器不能正确地成像并捕获弯曲零件20的光学模式的光谱(即，TE与TM模谱)。当弯曲零件20与现有技术耦合棱镜接触时，光学角谱(即，TE、TM模谱)的图像变得模糊且有时还畸变。这使得自动识别引导的光学模式的有效折射率是有问题的，这进而使得依赖于这种测量的一个或多个特性(例如，应力分布S(r))的准确确定是有问题的。

在实验中，常规棱镜耦合系统(例如，日本东京的Orihara工业有限公司制作的FSM-6000LE棱镜耦合仪器)被用于测量具有第一曲率半径R1＝8.5mm和R2＝∞的圆柱形玻璃样本中的应力。仅在样本精确地对准以使得被测圆柱的轴和圆柱与棱镜的耦合表面之间的接触线位于与用于光输入与输出的棱镜小面正交的平面中的情况下，可观察到对应于耦合到在离子交换区域25所限定的近表面波导区域中引导的TE与TM模式中的暗线。

另外，即使最佳对准，与在具有近表面平面波导的平玻璃样本的测量期间通常观察到的明显的高对比度线相比，模谱的暗线非常宽并且非常暗淡。由于不足的谱线对比度，不能利用商用FSM-6000LE系统软件自动处理捕获的模谱图像以获取应力参数。模谱图像的谱线位置的手动检测由于差的对比度以及由于图像图案对于样本对准的强烈依赖性而导致显著的误差。

用于测量弯曲零件的棱镜耦合系统

图2是适合在测量弯曲零件(诸如弯曲零件20)的模谱中使用的示例棱镜耦合系统(“系统”)10的示意图。系统10包括耦合棱镜组件38，下面更加详细地讨论。系统10包括在耦合棱镜组件38处相交的光轴A1和A2。

系统10沿着轴A1依次包括：光源，发射波长λ的测量光62；任选的光学滤光器66，可选地包含于轴A2上的检测器路径中；任选的光散射元件70；以及任选的聚焦光学系统80，形成聚焦的(测量)光(光束)62F，如下所解释。因此，在系统10的示例中，在光源60与耦合棱镜组件38之间没有光学元件。光源60、任选的滤光器66、任选的光散射元件70以及任选的聚焦光学系统80构成产生聚焦的测量光62F的示例光源系统82。

系统10还从耦合棱镜组件38起沿着轴A2依次包括：聚光光学系统90，具有焦平面92和焦距f并且接收反射的光62R(如下解释)；具有TM与TE偏振部分100TE与100TM的TM/TE偏光器100；以及光电检测器系统130。轴A1限定光源60与耦合棱镜组件38之间的光路OP1的中心。轴A2限定耦合棱镜组件38与光电检测器系统130之间的光路OP2的中心。聚光光学系统90、TM/TE偏光器100和光电检测器系统130构成示例检测系统140。

检测系统140也可在聚光光学系统90的任一侧上包括孔径136。孔径136可配置成减小由光电检测器系统130检测到的“过耦合的”光的量。这里，“过耦合的光”是来自耦合棱镜40但不代表实际TM与TE模谱的反射光62R，如下文更加详细地解释。

图3A是光电检测器系统130的特写图。在示例中，光电检测器系统130包括检测器110(例如，CCD相机)，其对于长于1100nm的波长可被替换成IR模拟检测器和帧抓取器120(参见图2)。在下面讨论的其他实施例中，检测器100包含CMOS检测器或一个或两个线性光电检测器(即，一条线的集成光电二极管或光电感测元件)。检测器110也可包括一个或多个微辐射计、微辐射计相机、一个或多个基于InGaAs的光电检测器或InGaAs相机。

检测器110包括光电敏感表面112。光电敏感表面112基本上存在于聚光光学系统90的焦平面92中，光电敏感表面大体上垂直于轴A2。这用于将离开耦合棱镜组件38的反射光62R的角分布转换为光在检测器110的传感器平面处的横向空间分布。

将光电敏感表面112分成TE部分112TE和TM部分112TM允许针对反射光62R的TE偏振和TM偏振由检测器110同时记录角反射光谱(包含模谱)的数字图像。此同时的检测消除测量噪声的来源，测量噪声可随着在不同时间作出TE与TM测量而引起，假设此系统参数会随着时间偏移。

图3B是图3A的示例检测器系统所捕获的TE与TM模谱的示意图。出于说明的目的，TE与TM模谱被示为具有高对比度。

示例光源60包括可见或红外激光器、可见或红外光发射二极管、可见或红外放大自发射(ASE)源、可见或红外超辐射发光二极管(SLD)源以及较宽带宽源(诸如，利用使光谱变窄的适当装置(包括波长选择滤光器或衍射光栅)结合的热细丝灯和石英灯)。由光源60产生的光62的示例操作波长λ包括可见波长(诸如，405nm,488nm,590nm,633nm)和红外波长(诸如(标称)，820nm,940nm,1,060nm,1,550nm,1,613nm,1,900nm或2,200nm)。

当与在光源的波长λ处敏感的光电检测器系统130结合时，并且在当包含光谱的适当变窄时的情况下，具有从400nm到2200nm范围的主波长和充足亮度的以上列举类型的任何光源60可被配置为实现本文所公开的测量方法。要求的亮度取决于检测器110的灵敏度和噪声等效功率，包括基本检测器噪声，以及外部电噪声或背景光。

系统10包括控制器150，可配置为控制系统的操作。控制器150还配置为接收并处理来自光电检测器系统130的(图像)信号SI，该信号SI表示捕获的TE与TM模谱图像。控制器150包括处理器152和存储器单元(“存储器”)154。控制器150可经由光源控制信号SL控制光源60的激活与操作，并且可接收并处理来自光电检测器系统130(例如，来自帧抓取器120，如图所示)的图像信号SI。在一个实施例中，TE和TM光谱可被顺序地收集，其中TE/TM偏光器100可包含仅传递单一偏振的单一部分。在此情况下，偏光器可在两个取向之间旋转，这两个取向在偏振方向上具有90°差异，并且控制器150可控制偏光器在这两个取向之间的切换以及此切换与TE和TM光谱的顺序收集的同步化。

在一个示例中，控制器150包括计算机并且包括用于从计算机可读介质(诸如，软盘、CD-ROM、DVD、MOD、闪存驱动器或诸如网络或因特网之类的另一个数字源)读取指令和/或数据的读取设备，例如，软盘驱动器、CD-ROM驱动器、DVD驱动器、磁光盘(MOD)设备(未示出)或包括网络连接设备(诸如以太网设备(未示出))的任何其他数字设备。控制器150配置为执行储存在固件和/或软件(未示出)中的指令，包括信号处理指令以用于实行本文公开的表面双折射性/应力测量。在示例中，术语“控制器”和“计算机”是可以互换的。

控制器150可编程为执行本文所述的功能(包括系统10的操作和前面提到的图像信号SI的信号处理)以得出被测弯曲零件的至少一个特性(诸如，表面应力、应力分布、压缩应力、层深、折射率分布以及双折射性)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10的操作的执行，包括前面提到的信号处理。软件可被可操作地安装进控制器150内，尤其是在处理器152和存储器154中。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(例如由处理器152)执行这些软件代码。

在操作中，该代码以及可能地相关联的数据记录被存储在通用计算机平台内、处理器单元152内和/或本地存储器154中。然而，在其它时候，该软件可被存储在其它位置处和/或被运输以加载到合适的通用计算机系统中。本文中所讨论的实施例涉及由至少一个机器可读介质携带的一个或多个代码模块为形式的一个或多个软件产品。由计算机150的处理器152执行这种代码使得平台能够基本上以在本文中所讨论和示出的实施例中执行的方式来实现目录和/或软件下载功能。

计算机150和/或处理器152各自可采用计算机可读介质或机器可读介质(例如，存储器154)，指的是参与向处理器提供指令以便执行(例如，确定弯曲零件20的表面双折射性/应力的量或应力分布S(x))的任何介质。存储器154构成计算机可读介质。这样的介质可采取许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括，例如，光盘或磁盘，诸如作为以上所讨论的服务器平台之一操作的任何计算机中的存储设备中的任何一个。易失性介质包括动态存储器，诸如这种计算机平台的主存储器。物理传输介质包括同轴电缆、铜导线和光纤，包括包含计算机系统内的总线的导线。

因此，计算机可读介质的常见形式包括：例如，软盘、软磁盘、硬盘、磁带、闪存驱动器以及任何其它磁介质；CD-ROM、DVD以及任何其它光介质；不常用的介质，诸如穿孔卡片、纸带以及具有孔图案的任何其他物理介质；RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM以及任何其它存储器芯片或磁带盒；传播数据或指令的载波、传播这种载波的电缆或链路或计算机可从中读取编程代码和/或数据的任何其他介质。可在将一个或多个指令的一个或多个序列运载至处理器152以供执行中涉及这些形式的计算机可读介质中的许多。

系统10可以是前面提到的商用棱镜耦合仪器(诸如，日本东京的Orihara工业有限公司制作并销售的FSM-6000LE棱镜耦合仪器)的改进版本。

耦合棱镜组件

图4A和4B是耦合棱镜组件38的示例配置的侧视图，该耦合棱镜组件38被示为与示例弯曲零件20对接并且包括示例光约束构件200。图5A和5B是图4A和4B的示例光约束构件200的立视图和正视图。

耦合棱镜组件38包括耦合棱镜40，其具有输入表面42、耦合表面44和输出表面46。耦合棱镜40具有折射率n_p>n_s。耦合棱镜40通过使耦合棱镜耦合表面44与弯曲的外表面24的一部分光学接触来与弯曲零件20对接。图4C是图4A和图4B的耦合棱镜40的俯视图，并且示出零件外表面24与耦合表面44之间的光学接触的长区域和窄区域，限定了长的与窄的零件-棱镜耦合界面(“界面”)50。

图4C还示出由测量光束62F形成的照明区域62L。在示例中，照明区域62L和界面50是细长的并且基本上沿着他们各自的长轴对准。图4D是示出y-z平面和“出面”光束62F与62R的照明区域62L的立视图。指示出面角。照明区域62L具有w_L的x方向上的宽度。示例照明区域62L被示为具有恒定宽度w_L，但w_L也随着照明区域的长度变化。

在示例中，折射率n_f的对接流体52的薄层被用于促进耦合棱镜40与弯曲零件20之间的光学耦合并且构成界面50的一部分。在示例中，n_p≥n_f>n_s。n_f的示例值＝1.64。在其他示例中，对接流体折射率n_f＝n_p±0.02。在特定相关示例中，棱镜折射率可以是n_p＝1.72。

图4A和4B的耦合棱镜组件38包括前面提到的示例光约束构件200，适于在输入表面42(图4A)或输出表面46(图4B)处与耦合棱镜40对接。示例光约束构件200是截顶直角棱镜，由不透明材料制成或者具有不透明涂层。光约束构件200具有有角度的前表面202、截顶顶表面204、后表面206、底表面208以及平行侧210。光约束构件200具有高度h1、底表面208处的基长度l1、截顶顶表面204处的顶部长度l2以及宽度w，如图所示。底表面208和有角度的前表面202限定角α。

光约束构件200包括中心槽220，在表面202、204和206处是开放的。中心槽220具有内表面222和存在于底表面208上方的底部224从而具有高度h2<h1。在一个示例中，内表面222平行于各侧210从而限定具有均匀宽度s的槽220。在其他示例中，中心槽220可配置为具有沿着其长度(例如，线性或以弯曲的方式)变化的宽度s。槽宽度s可被选择以限定各种程度的光约束。在示例中，槽220的内表面222具有光吸收涂层，例如，被涂暗、被氧化或阳极化等，以减小镜面反射和漫反射。

表1中记载了示例光约束构件200的尺寸的示例值，如下：

在示例中，相对于耦合棱镜40布置一个或两个光约束构件200以将照明区域62L约束到长且窄的界面50并且约束光束62F和62F以具有y-z平面外部的窄的角的范围(图4D)。在示例中，照明区域62L的尺寸以及角的范围由中心槽220的宽度s来限定。在示例中，一个或两个光约束构件被布置成紧邻耦合棱镜40的输入和/或输出表面42和46。在另一示例中，一个或两个光约束构件与耦合棱镜40的输入和/或输出表面42和46隔开。

由光电检测器系统130(例如参见图3B)捕获的模谱图像表示TM波从界面50反射的角谱。图像上的明亮区域对应于高反射率，而暗线对应于测量光62F进入到引导的或有时良好限定的泄漏模的耦合。延伸的暗区域通常与泄漏模与辐射模进入到基板的耦合相关联。与采用供应给常规FSM-6000LE仪器的不受约束的棱镜组件的不受约束的有效照明和5mm(0.197英寸)的收集宽度相比，使用系统10中的耦合棱镜组件38中的光约束构件200执行的实验导致在TE和TM模谱的对比度与锐度上增加若干倍。

示例弯曲零件20上的实验包括捕获具有第一曲率半径R1＝8.5mm和23微米的DOL的样本的模谱图像。如与5mm的标准收集宽度的模谱对比度相比，模谱图像示出在对比度上对于槽宽度s<3mm的可观察到的改进以及对于槽宽度s<1.5mm甚至更大的改进。从上述光约束构件200的这些观察与尺寸以及耦合棱镜40的那些来看，当棱镜耦合表面44被变窄到大约3mm或更小的聚焦光束62F照明时，可获得模谱对比度中的改进。

当入射在棱镜组件38上的光束62F具有棱镜耦合表面44的平面中的投影时，也可观察到弯曲零件的测量期间的对比度改进，其中这些投影被约束以对向(subtend)相对于照明带的对称线小于大约10°的角，该对称线被设计成与弯曲零件20的弯曲部分和棱镜耦合表面44之间的接触线重合。

模谱的对比度的改进部分归因于拒绝与样本没有相互作用的光。当所述实验中的槽宽度s在1.5mm到3mm的范围中时，这种光拒绝已是相当大的。对于甚至更小的槽宽度s，可存在甚至更大的改进。对比度改进还部分地归因于拒绝一些光线，所述光线在耦合表面44的平面中的投影与限定界面50的样本棱镜接触线形成大角。

对于大的槽宽度s，可通过一般设置在系统10的检测系统140中的孔径136(参见图2)或其他孔径阻隔这些不期望的光线。因此，归因于光约束构件200的改进的角分量对于槽尺寸s<1.5mm变得更加显著，例如，在穿过棱镜组件38的并到达光电检测器系统130的光线62R在耦合表面44的平面中具有被约束到小于大约5°的角的投影的情况下。注意到在一些情况下，在与样本的弯曲表面相互作用之后，来自光束62R的反射光线的投影角可与来自光束62F的对应入射光线的投影角稍微不同。

因此，可接近或远离耦合棱镜40放置的并且约束照明使得(尤其)的任何槽、槽的组合或者孔径(例如，诸如孔径136)的组合可贡献于改进被测模谱的对比度。的角范围被定义为并且在示例中被限制到20°或者在更窄的示例中被限制到10°。

照明区域62L的宽度w_L和与照明区域相关联的角范围可由系统10的至少两个孔径来限定。在如上所述的示例中，两个孔径是槽220在光约束构件200的前表面202和后表面206处的输入端和输出端(例如参见图5A)。在其他示例中，孔径中的一个可以是检测系统140的一部分，诸如孔径136，用于减小由于寄生的不需要的照明还有“过耦合”的效应引起的对比度降低，其中，聚焦光62F中的一些以如下方式共振地耦合进入弯曲零件20并从弯曲零件20离开：当反射光62R到达光电检测器系统130时，它增加暗线应该被观察到的位置处(例如，在一角度处)的光强度。

因此，系统10中的一个孔径可以是光约束构件200的槽220，其中另一个孔径由单一狭缝或受约束的开口来限定，该单一狭缝或受约束的开口被增加以限定照明区域62L的宽度。标准棱镜-耦合系统中的这种孔径通常过大以致于不能有效地帮助改进模谱对比度以用于测量弯曲零件。对于曲率半径R1<10mm，在示例中，两个孔径由光约束构件200的前端202和后端206处的槽220来限定。

当测量系统10中的弯曲零件20时，从棱镜的整个耦合表面朝向光电检测器系统130发送反射光62R。关于此信号，反射光62的仅一小部分从长且窄的界面50反射。与弯曲零件20的一些区域相互作用的测量光62F在光电检测器系统130的视场上展宽或者偏离该视场之外，这些区域与耦合棱镜40基本上分离并且离开耦合棱镜逐渐弯曲。这被确定为当使用常规棱镜-耦合测量系统测量弯曲零件20时的模谱中的惊人的对比度变差的一个起因。

更多的耦合棱镜组件示例

图6A是示例耦合-棱镜组件38的立视图，其中耦合棱镜40的输入表面42和输出表面46包括相应的不透明部分42a、42b和46a、46b，这些不透明部分限定了光可以穿过的狭缝47和48。在示例中，不透明部分42a、42b和46a、46b由形成在输入表面42和输出表面46的不透明部分上的吸收层来限定。狭缝47和48可使用常规掩模技术来限定。在另一个示例中，不透明部分42a、42b和46a、46b可以是紧邻(即，紧密接触或稍微间隔)输入表面42和输出表面46放置的分离的板或膜。狭缝47和48出于同样的目的用作光约束构件200的中心槽220以限定测量光62的宽度从而也可为了术语的一致性被称为“槽”。

在图6A的实施例中，槽由两个狭缝47和48构成，一个在输入棱镜表面附近或其上，一个在输出棱镜表面附近或其上。图6A还表示另一个实施例，其中耦合棱镜40包含三个区域，其中中心区域48在测量波长处是透明的，而在它任何一侧上的区域在测量波长处强力地吸收。这种耦合棱镜40可通过将相同或类似玻璃制成的三个棱镜融合在一起来获得，其中两个外玻璃掺杂有铁或其他吸收离子并且可能在还原环境中退过火以增强测量波长处的吸收。

图6B类似于图6A并且示出示例耦合棱镜40，其中耦合表面44包括圆柱形弯曲部分44C，该圆柱形弯曲部分44C在示例中向内弯曲并且具有大约R1(即～R1)的曲率半径。在耦合连同光阻隔特征件(诸如，一个或多个光约束构件200或不透明部分42a、42b和/或46a、46b)的棱镜组件38中，可有利地使用此特定耦合棱镜40。在示例中，弯曲部分44C的半径在大约0.5R1与1.5R1之间。在示例中，采用具有n_f>n_s的对接流体52，尤其在零件20的弯曲部分的半径小于R1的情况下。

图6C示出结合图6A和6B的耦合棱镜的特征的示例耦合棱镜40，使得所得耦合棱镜具有圆柱形弯曲部分44C和不透明部分42a、42b和46a、46b。在示例中，圆柱形弯曲部分44C具有与狭缝48的宽度基本上相同的宽度。在另一个示例中，圆柱形弯曲部分44C比狭缝48更宽。

图7A是耦合棱镜组件38的另一个示例实施例的立视图，该耦合棱镜组件38包括由两个块体250夹在中间的窄耦合棱镜70。块体250是不透明的并且可以是不透明材料的单一块体的一部分或两个分开的块体。因此块体250限定窄槽252，窄耦合棱镜40存在于该窄槽内。在示例中，块体250面向窄耦合棱镜40的各面在测量波长处具有强力的光吸收，或者可使用在测量波长处具有强力光吸收的胶水或其他材料与棱镜耦合对接。

示例窄耦合棱镜40具有大约3mm或更小的宽度并且在示例中具有大约2mm或更小的宽度。窄耦合棱镜40的宽度上的下限由不利的散射与衍射效应来限定，在示例中，宽度小于大约0.2mm。在示例中，块体250可包括安装与对准特征件254以用于相对于块体安装并对准耦合棱镜40。在示例中，耦合棱镜40存在的窄槽252确保要求的光约束以便得到良好的模谱对比度以及相对于系统10的剩余的适当对准。

图7B类似于图7A，除了耦合棱镜40的耦合表面44被弯曲并且特别具有大体上圆柱形的凹曲率。在示例中，弯曲耦合表面44的曲率半径类似于要测量的弯曲零件20的第一曲率半径R1并在示例中可以是稍微更大的。凹圆柱形耦合表面44的使用允许弯曲零件20的自对准以便测量并且可显著地减小测量时间。

图7C类似于图7B并且示出示例耦合-棱镜组件38，其中耦合棱镜40包括具有平底44F的薄棱镜部分40T以及与平底44F对接的并且限定弯曲的耦合表面44的可替换的凹平圆柱形透镜部分(“圆柱形透镜”)44L。在示例中，圆柱形透镜44的至少一部分由块体250保持。在示例中，薄透镜部分40T经由粘合剂、折射率匹配油、真空由块体250保持或者通过光学接触来保持。

对准夹具

弯曲零件20中的应力的成功测量需要具有充足对比度的模谱，进而需要耦合棱镜40相对于弯曲零件精确地对准。具体地，耦合棱镜40需要以如下方式接触弯曲零件20的外表面24：该方式匹配由光约束构件200的中心槽220限定的照明区域62L(图5A)、由不透明部分42a、42b和46a、46b限定的狭缝47和48(图6A)、或者由块体250和窄耦合棱镜40限定的窄槽252(图7A)。微小的角未对准(<1°)导致谱线(条纹)的倾斜，导致测量误差。较大的角未对准(仅几度)导致条纹的模糊和甚至消失。

对于不提供弯曲零件20的对准的耦合棱镜组件38，对准夹具可被用于这种对准，同时允许弯曲零件的精密定位和角对准以优化被测模谱对比度。

图8是用于相对于耦合棱镜40保持并对准弯曲零件20的示例对准夹具300的俯视图。对准夹具300被配置为与耦合棱镜组件38对接。对准夹具300包括具有内部312的矩形外框架310，所述内部312由相对的竖直内侧壁314和相对的水平内侧壁316限定。对准夹具300包括隔开的且平行的水平引导构件320，布置在框架内部312内并且具有配置为沿着竖直内侧壁314或在竖直内侧壁314内(例如，在轨道中(未示出))滑动的端322。水平引导构件320具有相对的内表面324。

对准夹具300还包括竖直布置的支撑柱330，其固定到下引导构件320并且穿过上支撑构件，从而使得后者可沿着支撑柱竖直地平移。每一个支撑柱330具有与框架310的顶部竖直内侧壁314上的相应弹性构件340对接的端332。水平引导构件320的内表面324包括弹性构件326，用于啮合弯曲零件20的外表面24而不损坏弯曲零件。示例圆柱形弯曲零件20(虚线)被示出为由弹性构件326来保持。

对准夹具300还包括对准螺钉350，穿过外框架310的螺纹部分以啮合下支撑构件320。对准螺钉350可用于朝向上支撑构件推动下支撑构件320，由此挤压弹性构件326之间的弯曲零件20。弹性构件340通过压缩允许下支撑构件320的向上移动同时还用作力缓冲器以用于阻碍上支撑构件向上移动，由此保持沿着螺钉350所指示的方向对准的零件。当对准夹具300与耦合棱镜组件38对接时，对准螺钉350还可用于提供弯曲零件20在框架内部312内且相对于耦合棱镜40的选择取向。

为了减小弯曲零件20的旋转与横向移位之间的耦合，对准夹具300可被定位成使得耦合棱镜40与弯曲零件显著地更加接近对准零件350中的一个(和对准零件350中的另一个相比)。以此方式，更近的对准螺钉350主要实现弯曲零件20相对于棱镜上的照明带的侧向移位，同时另一个螺钉350主要实现相对于同一照明带的旋转。达到弯曲零件20的最优定位和对准可相对较快地发生，例如，一到三次反复地使用两个对准螺钉350。如与手动对准相比，使用对准夹具300的益处是它减小了测量时间，尤其在要连续测量相同或相似形状的多个零件的情况下。使用这种对准夹具，第一零件的仔细对准足以确保所有后续零件的快速对准。

模谱加宽效应

当测量作为在耦合棱镜组件38中完美对准的理想圆柱形式的弯曲零件20时，由于耦合到具有出面角的光线的光束62F的弯曲波导，期望TE和TM模谱的谱线的轻微加宽。与具有一致横截面的直波导相比，弯曲波导的本征模式的有效折射率稍微变化。

矩形波导的有效折射率变化的下列方程可被用于估计由于此效应引起的最大可能加宽：

其中，n₀是峰值折射率，2T是矩形波导的厚度，ρ是偏斜入射的光线所看到的曲率半径。对于弯曲零件20，厚度2T可由0.5DOL替换以考虑到近似三角形的折射率分布。对于沿入射平面撞击在界面50上的光线，其中R1是圆柱半径。对于0.5mm槽，的范围从大约-10到+10度(具有指示为的最大角)，尽管对于大多数光线，范围是从-5到+5度，从而对于R1＝8.5mm，ρ对应地取大于1.1m的值。因此，加宽效应是：

这种水平的线加宽可比得上利用FSM-6000LE测量系统观察到的最窄线，该系统的幅宽受到光学分辨率或者测量中的模式的泄漏本性限制。这解释了为什么本文所公开的系统和方法可用于测量具有小至1mm的第一半径R1的弯曲零件20。在此情况下的加宽将是在2x10^–4的数量级上，几乎接近最小模式间隔。此加宽仅对于具有小半径R1(例如，R1<2mm)和大DOL的弯曲零件20是严重的并且通过使用窄槽来减轻。

模谱加宽的以上估计可倒转并用于确定将加宽消息限制到期望值所需要的槽宽度。允许的加宽小于大约典型模式间隔Δn_ms的大约1/3，在很多实际关心的情况下为大约5×10^-4RIU。然后，槽容许的以弧度为单位的角范围为：

在很多情况下，典型模式间隔与DOL成反比。在离子交换区域25具有大约1.5×10^{- 2}RIU的最大折射率递增量的示例中，DOL每次递增大约2μm对光谱增加额外的模式，从而典型模式间隔在的数量级上。.

因此，光约束器允许的角范围应该不大于：

在示例中，对于R1＝10mm，DOL＝50μm，以及n₀≈1.52,使得应该小于大约15°。这是界限，在该界限处，线加宽将导致线的实质融合，将致使他们的分辨不切实际。更加小的线加宽导致线对比度的减小，导致显著地难以进行对于模式的自动识别的基于强度的区分。

可应用更严格的准则，例如以基本上限制这种对比度降低。在此情况下，光约束器允许的角范围应该不大于：

并且对于具有0.015RIU数量级上的最大折射率递增量和50μm的DOL的典型离子交换玻璃，应该不大于约10°。最后，为了消除由于耦合到弯曲波导模式引起的线加宽的效应，在示例中，在于典型的高分辨率测量系统，加宽应该低于大约2×10^-5RIU，在此情况中：

对于具有半径R1的值的范围的弯曲零件20，诸如圆锥表面，R1在范围底部的值应该针对基于所公开关系的光约束构件200的参数的保守估计来取。另一方面，对于较不保守估计，R1的范围的底部一半的任何典型值可允许足够的性能。

在允许的方向上测量了R1小至1mm的弯曲零件20，R2是至少100m以防止可观察到的谱线加宽，且至少20m以避免显著的测量变差。如果z方向上的棱镜长度(参见图1A)被减小(例如，从12mm到2与4mm之间)以限制由于不期望的膨胀引起的谱线的角展宽，可容忍R2的更小值

在示例中，照明区域62L的宽度w_L可相关于照明区域的长度(即，z方向)而变化。如上所述，在一个示例中，光约束构件200的槽宽可在前端202与后端206之间变化，同时仍允许模谱对比度中的实质改进。具体地，槽220的宽度s在前端202和后端206之间在大约(2/3)·s与大约(1.5)·s之间变化可导致与恒定宽度槽相似的对比度的改进。

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 (17)

1.一种用于确定具有弯曲的外表面的弯曲零件的至少一个特性的方法，包括：

将耦合棱镜的耦合表面与所述弯曲的外表面对接以限定耦合界面；

引导测量光经过所述耦合棱镜并到达所述界面，其中，所述测量光具有3mm或更小的宽度；

数字地捕获从所述界面反射的TE与TM模谱；以及

处理所述TE与TM模谱以确定所述弯曲零件的至少一个特性；

其中所述耦合棱镜具有输入表面与输出表面，并且所述方法进一步包括：

引导所述测量光经过光约束构件，相对于所述输出表面可操作地布置所述光约束构件，其中，所述光约束构件包括具有恒定的或变化的宽度的槽，其中所述槽限定所述测量光的宽度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个特性是从多个特性的组中选择的，所述多个特性包括：表面应力、应力分布、压缩应力、层深、折射率分布以及双折射性。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输入表面和输出表面包括限定所述测量光的宽度的相应不透明部分。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耦合表面包括圆柱形弯曲部分，其基本上匹配所述弯曲的外表面的曲率。

5.如权利要求4中所述的方法，其特征在于，所述耦合表面的圆柱形弯曲部分由可移除的圆柱形透镜限定。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述弯曲零件是圆柱并且具有第一曲率半径R1≥0.5mm。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耦合棱镜具有3mm或更小的宽度并且由不透明块体可操作地支撑。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在可调节的对准夹具中支撑所述弯曲零件以将所述弯曲零件与所述耦合棱镜对准。

9.一种用于确定具有在x-y平面中具有第一曲率半径R1的弯曲的外表面以及在所述弯曲的外表面处的离子交换区域的弯曲零件的至少一个特性的方法，包括：

将聚焦的测量光引导到耦合棱镜组件，所述耦合棱镜组件具有与所述弯曲零件的外表面对接的耦合棱镜以限定耦合界面，其中弯曲的外表面由所述第一曲率半径R1≥0.5mm和半径R2≥20m来限定；

从所述耦合界面反射所述测量光，同时在所述反射之前将所述测量光约束成具有3mm或更小的宽度，其中所述测量光被约束到与x-y平面垂直的y-z平面的角的范围内，其中

检测所反射的测量光以获取TE与TM模谱；以及

处理所述TE与TM模谱以确定所述弯曲零件的至少一个特性。

10.如权利要求9中所述的方法，其特征在于，所述约束由以下各项之一来实现：

a)相对于所述耦合棱镜可操作地布置的至少一个光约束构件，所述至少一个光约束构件具有测量光穿过的槽，所述槽具有3mm或更小的宽度；

b)支撑所述耦合棱镜的不透明构件，其中所述耦合棱镜具有3mm或更小的宽度；以及

c)输入表面和输出表面上的不透明部分，用于限定所述测量光穿过的槽，所述槽具有3mm或更小的宽度。

11.一种用于确定具有弯曲的外表面的弯曲零件的至少一个特性的棱镜耦合系统，包括：

光源系统，产生测量光；

耦合棱镜组件，具有耦合棱镜，所述耦合棱镜具有输入表面与输出表面以及耦合表面，所述耦合表面与所述弯曲的外表面对接以限定耦合界面，其中所述耦合棱镜组件包括用于将所述测量光的宽度限定为3mm或更小的装置，其中所述耦合棱镜组件包括相对于所述输出表面可操作地布置的光约束构件，其中，所述光约束构件包括限定所述测量光的宽度的槽；

检测器系统，布置成接收从所述界面反射的并且离开所述输出表面的测量光以数字地捕获TE与TM模谱；以及

控制器，处理所述TE与TM模谱以确定所述弯曲零件的至少一个特性。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少一个特性是从多个特性的组中选择的，所述多个特性包括：表面应力、应力分布、压缩应力、层深、折射率分布以及双折射性。

13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述耦合棱镜的输入表面和输出表面包括限定所述测量光的宽度的相应不透明部分。

14.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述耦合表面包括圆柱形弯曲部分，其基本上匹配所述弯曲的外表面的曲率。

15.如权利要求14中所述的系统，其特征在于，所述耦合表面的圆柱形弯曲部分由可移除的圆柱形透镜限定。

16.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述弯曲零件是圆柱并且具有第一曲率半径R1≥0.5mm。

17.如权利要求11所述的系统，其特征在于，进一步包括可调节的对准夹具，支撑与所述耦合棱镜对准的所述弯曲零件。