CN107407637A - 用于表征具有大的层深度的离子交换波导的棱镜耦合系统和方法 - Google Patents

用于表征具有大的层深度的离子交换波导的棱镜耦合系统和方法 Download PDF

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Abstract

公开了通过双离子交换(DIOX)用于表征在玻璃基材中形成的具有大的层深度的波导的棱镜耦合系统和方法。一种方法包括在形成了深的区域的第一离子交换工艺之后进行第一测量，然后在形成了浅的区域的第二离子工艺之后进行第二测量。相对于棱镜(40)设置光阻特征(49)以产生模式光谱，在模式光谱中，以损失用于测量浅的区域的特性的分辨率为代价，强耦合的低阶模式的模式线对比度得到了改进。然后使用标准技术确定浅的区域的压缩应力、层深度或抗拉强度。使用近IR波长测量更深的第一离子交换工艺的特性可进行第二测量。还公开了使用形状控制测量离子交换样品的系统和方法。

Description

用于表征具有大的层深度的离子交换波导的棱镜耦合系统和 方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35USC§119(e)，要求2014年12月23日提交的序列号为62/095,945的美国临时专利申请的优先权，并且根据35USC§119(e)，要求2015年4月22日提交的序列号为62/151015的美国临时专利申请的优选权，其通过引用纳入本文。
技术领域
本公开涉及用于表征波导的棱镜耦合系统和方法，尤其涉及用于表征具有大的层深度的离子交换波导的系统和方法。
本文中提及的任何公开出版物或专利文件的完整公开内容通过引用纳入本文，包括名称为“Systems and methods for measuring the stress profile of ion-exchanged glass(用于测量离子交换玻璃的应力分布的系统和方法)”，序列号为13/463,322的美国专利申请；以及在名称为“Systems and methods for measuringbirefringence in glass and glass-ceramics(用于在玻璃和玻璃陶瓷中测量双折射的系统和方法)”的第2014/0092377号美国专利申请公布中；名称为“Apparatus and methodsfor measurement of mode spectra of index profiles containing a steep region(用于测量包含陡峭区域的折射率分布的模式光谱的设备和方法)”的序列号为61/897,546的美国临时专利申请(在下文中称为’546申请)；和2014年5月21日提交的，名称为“Prism-coupling systems and methods for characterizing large depth-of-layerwaveguides(用于表征大的层深度的波导的棱镜耦合系统和方法)”的序列号为62/001,116的美国临时专利申请。
背景技术
棱镜耦合技术可用于测量平面光波导的导模的光谱，以表征波导特性，例如以测量折射率和应力分布。已经使用这一技术测量用于各种应用(例如用于显示器(如用于智能手机)的保护玻璃)的不同的离子交换(IOX)玻璃的应力和层深度(DOL)。
某些类型的IOX玻璃实际为双IOX(DIOX)玻璃，其通过产生了两个片段分布(segment profile)的第一次扩散和第二次扩散形成。第一片段与表面相邻并且具有相对较陡的斜率，而第二片段更深地延伸到基材中但是具有相对较浅的斜率。这样的DIOX分布用于某些类型的化学强化玻璃和抗微生物玻璃。
这样的两个片段分布导致在具有相对高的有效折射率的低阶模式之间有相对大的间距，并且在具有相对低的有效折射率的高阶模式之间有极小的间距。模式之间的间距是令人感兴趣的，因为在模式光谱(mode spectrum)中，各模式通过光检测器(即数字照相机)作为线被检测出。测量的分辨率通过相邻模式之间的光检测器像素的数目定义。
因为在较深的片段中行进的高阶模式采样不足，所以在寻求精确测量DIOX分布的较深处片段时，相对于光检测器像素的这种模式分布是有问题的。如果DOL足够大(例如大于70μm或100μm，或者甚至大于140μm或150μm)，其变得不能充分分辨高阶模式的光谱线，结果不能准确测量DIOX分布。另外，对于大的DOL，波导形状开始成为一个问题并且可能不利地影响测量质量。
获得所需测量分辨率的一个选择是具有更多像素的更大的光检测器，这在一些情况下还可能需要较大光圈(aperture)的光学系统。然而，这样的光检测器和较大光圈的光学系统使测量系统增加了巨大的成本和复杂性。
发明内容
本公开的各方面涉及用于测量波导的特性的系统和方法，以控制化学强化玻璃的制造工艺和产品质量，所述波导通过IOX工艺(包括DIOX工艺)在玻璃基材中形成。通过IOX工艺形成的折射率分布(相当于应力分布)可具有一个深的区域R2，其DOL深度大于100μm；以及具有一个浅的区域R1，其折射率作为深度的函数的斜率相对较高。
目前，使用常规棱镜耦合系统进行化学强化玻璃的高通量测量以用于制造控制和质量控制，这些常规棱镜耦合系统具有高精度和高速度，但是DOL测量受到限制，尤其是DOL超过100μm时受到限制。常规棱镜耦合测量系统还假设线性折射率分布，这对许多具有大DOL的由IOX形成的分布(包括由DIOX形成的分布)来说是一个粗劣的近似。
本文公开的系统和方法通过使用优化的棱镜耦合系统，有效地控制了DIOX波导的生产、产品质量和易碎性，所述优化的棱镜耦合系统分别为了毗邻表面的浅且陡的区域和在该浅且陡的区域下方的深且平缓DOL的区域而优化。
在一个实施方式中，为了高分辨率优化了棱镜耦合系统，并且在第一IOX制造步骤后用于测量压缩应力(CS)和DOL，该第一IOX制造步骤产生了极深的压缩区域R2，其DOL在约70μm以上或更大，优选100μm或更大。这些测量值被表示成CS1和DOL1，并且对它们进行验证以符合制造工艺的要求。还验证了抗拉强度(CT)以符合CT要求，该CT要求与制造步骤1所允许的CT预算(CT budget)相一致。第二IOX制造步骤(“步骤2”)产生了陡峭的近表面的区域R1，其深度通常近似于10-15微米，并且具有高的CS，通常>500MPa，最经常地>700MPa。
在本公开的第二个方面中，棱镜耦合系统被配置为包括光阻特征，设置该光阻特征以产生模式光谱，在模式光谱中，以损失更高阶模式的分辨率为代价，强耦合的低阶模式的模式线对比度得到了改进。所收集的光学信号由照明区产生，该照明区的长度优选为约8mm或更小。
在一个优选的实施方式中，使用光阻特征将该系统配置为具有降低的分辨率，从而使得在深的区域中传播的(较高阶)模式的密集的光谱不被分辨，而限定在浅且陡的区域R2中的稀疏的(较低阶)模式分辨良好。然后，用于CS、DOL和CT的标准测量可用于测量浅区域的CS和DOL，以及有效CT，所述有效CT要求符合在制造步骤2中形成的浅区域R1的预算CT。
由于对制造步骤1和2的IOX工艺进行了分别的测量控制，从表面延伸出来的折射率分布的R1和R2区域(在测量时)被很好地近似为简单的线性截断折射率分布。这允许使用常规计算正确地确定分布的每个区域R1和R2所需的CS和DOL，以及分布的每个区域的预算CT，从而使得完全控制分布符合制造要求，以及符合易碎性。
在一个实例中，通过具有相对大的棱镜(优选长度大于15mm，作为一个优良的实例，25mm长)，并结合光学器件和光检测器(例如照相机传感器)将棱镜耦合系统配置成允许进行超高分辨率测量，该棱镜耦合系统允许分辨被10-4或更小的折射率单位(refractiveindex units,RIU)分离的模式线，理想地，分辨被小至5x10-5RIU分离的模式线。
使用底角为60°和折射率为约1.72的棱镜，并且折射率为约1.49，这样的光学器件和光检测器的组合可以包括焦距f＝200mm且像差相对较低的透镜，同时光检测器为照相机传感器的形式，其像素小于约5μm，优选具有大于800列的这样的像素，在该像素上捕获每个TE和TM模式光谱。
本文公开的系统和方法具有许多优点。一个优点为独立优化了深区域和浅区域的测量，当高CS的近表面的浅区域为分布所要求时，这允许更好地控制较深的折射率分布。另一个优点为用于线性分布的现有的鲁棒软件(roubust software)可用于快速有效地测量和控制具有极大DOL的DIOX分布的产品质量。此外，可有效地执行用于IOX制造步骤1和2的CT预算，从而在相对接近最大化学强化的易损性极限的情况下操作时避免易碎性。
本公开的其它方面包括通过使用优化的棱镜耦合仪器有效控制DIOX玻璃的生产、产品质量和易碎性的系统和方法，所述优化的棱镜偶合仪器分别为了大DOL测量和任选地，为了浅且陡的区域的测量而优化，该优化的棱镜偶合仪器使用发射近IR光的光源。
在本公开的一个方面中，通过使用近红外光源，该棱镜耦合系统为高分辨率进行了优化，以在第一IOX制造步骤后捕获CS/DOL，该第一IOX制造步骤产生了极深的压缩区域R2，其DOL在约70μm以上或更大，尤其是在100μm以上。验证CS1和DOL1值以符合制造工艺的要求。还验证了IOX制造步骤1的CT值以符合CT1要求，该CT1要求与CT预算相一致。
第二IOX制造步骤产生了陡峭的近表面区域R1，其深度通常在约10至约15μm的范围内，并且具有高的CS，通常>500MPa，最经常地>700MPa。在本公开的第二个方面中，棱镜耦合仪器使用近IR光源和光阻特征，设置该光阻特征以产生和测量模式光谱，在该模式光谱中，以损失更高阶模式的分辨率为代价，强耦合的低阶模式的模式线对比度得到了改进。
在一个实例中，所收集的光学信号由照明区产生，该照明区的长度优选为8mm或更小。在一个实施方式中，通过使用前述光阻特征将棱镜耦合系统配置为具有降低的分辨率，从而使得在深的区域R2中传播的模式的密集的光谱不被分辨，而限定在浅且陡的区域中的稀疏的模式被分辨。然后使用用于确定浅区域R1的CS、DOL和CT的标准技术，以及要求符合预算CT的有效CT作用(contribution)。
在另一个实施方式中，使用棱镜耦合系统测量DIOX基材的分布的深区域R2，将该棱镜耦合系统配置为在近IR波长下进行操作，而浅且陡的部分使用较短的可见波长进行测量。在一个相关的实施方式中，两个测量能够在一个单独的棱镜耦合系统中进行，该单独的棱镜耦合系统具有IR光源和可见光源，其中，这两个光源可在各测量之间转换。在一个实例中，棱镜耦合系统使用光阻特征，该光阻特征用于在可见波长下测量浅且陡的区域R1。
在近IR成像棱镜耦合系统的模式光谱中的模式线的数目小于在λ＝589nm下操作的类似的系统的模式线的数目。这相当于模式线间距增大，模式线间距增大使得测量对样品中的少量的翘曲不那么敏感，这可为在测量具有大DOL>100μm的应力中标准偏差增加的主要驱动力。此外，模式线间距的增大有助于改进通过照相机传感器进行的模式线的取样，这进一步有助于分辨模式线及减少DOL误差，尤其是对于DOL>150μm来说。
本公开的其它方面涉及用于改进大DOL波导的基于棱镜耦合的测量速度系统和方法，并且该系统和方法用于免除滑动和旋转所测量的样品以找到最佳测量条件的需要。所述系统和方法依赖于赋予每个测量的样品相似的翘曲或形状，优选相似的最小翘曲或形状。这通过使用具有刚性压板的卡盘组件来实现，配置该刚性压板以将样品形状定义为卡盘的形状，或者施加空气垫以迫使样品采用棱镜的平坦耦合表面形状。所赋予的可重复的形状与测量区域中测量的玻璃的标称设计形状相同或非常接近，以将测量玻璃中的表面应力的变化控制为仅为几MPa或更小，所述表面应力的变化由形状控制产生。更具体而言，使用用于质量控制的测量的上下文中，通过形状控制方法引入的表面应力误差必需是可接受的。
在一个实例中，卡盘组件的控制形状的压板由多孔材料制成或者具有小通道，同时卡盘可操作性地连接到真空源(例如真空泵)。卡盘组件通过其孔或通过通道将真空施加到样品上，使得样品被吸到压板上，从而使样品基本上符合压板的表面形状。这使得所有被测量的样品在用于高分辨率的棱镜耦合测量的足够尺寸的区域上具有压板形状。如果压板使用通道向样品施加吸力，则在一个实例中，各通道间隔开小于约1cm，并且在另一个实例中，间隔开小于约5mm。另外，优选每个通道的直径小于约2mm，更优选小于约1mm。
当样品厚度非常均一时，上述基于卡盘的实施方式有效。如果样品厚度在测量区域上变化显著，并且该变化从一个样品到下一个样品基本上不相同，那么在样品背面采用压板的形状不会保证面向棱镜的测量样品表面每次均会有相同的形状。因此，在另一个实施方式中，卡盘组件的功能为在样品的背侧上提供空气垫(例如，压力稍高于常压的空气)，以使得样品被均匀地压靠在棱镜上。这易于迫使样品耦合表面符合棱镜耦合表面的形状。该实施方式对在测量区域上厚度变化适度的样品也有效。这是因为要求符合预定义的表面(在这一情况中为棱镜接触表面)的是面向棱镜的样品的测量表面。
在另一个实施方式中，通过棱镜自身中的通道向样品施加吸力，从而迫使样品耦合表面基本上符合棱镜耦合表面。在一个实例中，棱镜与基材之间的耦合通过折射率大致等于棱镜折射率的折射率液体介导。在另一个实例中，耦合通过折射率比基材表面折射率高至少0.08的液体介导。在另一个实例中，耦合通过折射率低于基材的折射率的液体介导。在该实施方式的特定情况中，棱镜耦合表面可以用薄的介电层涂覆，该薄的介电层的折射率优选低于油的折射率。在另一个实例中，光学耦合通过空气或其它气体介导，所述其它气体通过由真空系统通过棱镜施加的吸力被稀释。
在另一个实施方式中，将通过棱镜中的通道施加真空与通过样品背侧上的卡盘组件所施加的压力相结合。
形状控制测量方法的优点包括减少了测量时间；降低了移动样品产生的破坏的风险；增加了DOL精确度；控制了大样品发生的重力诱导的形状改变；以及在样品中处理形状改变的能力。
在以下的详细描述中给出了其它特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，并且旨在提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
附图的简要说明
所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与详细描述一起用来解释各个实施方式的原理和操作。因此，结合附图，通过以下详细描述能够更好地理解本公开，图中：
图1A为平面基材形式的示例性DIOX玻璃基材的俯视图；
图1B为以x-y平面截取的图1A的DIOX基材的特写横截面图，其示出了在基材表面发生并且进入到基材主体中的双离子交换工艺；
图1C示意性地示出了形成DIOX基材的DIOX工艺的结果；
图2为图1C所示的DIOX基材的示例性折射率分布n(x)的表示图；
图3A为根据本公开的示例性棱镜耦合系统的示意图；
图3B为图3A的棱镜耦合系统的光检测器系统的特写图；
图3C为由图3B的光检测器系统捕获的TM和TE模式光谱的示意图；
图4为示出了棱镜的输入面上的示例性掩膜的示例性棱镜的俯视图，其中掩膜限定了缝隙孔径；
图5为示出了棱镜的输入和输出面上的示例性光阻特征的示例性棱镜的俯视图；
图6为单个IOX基材的捕获的模式光谱的实例；
图7A和7B示出了在第二IOX工艺后图6的基材的捕获的模式光谱，其中，图7A包括使用光阻特征以牺牲较低阶模式为代价来改进较高阶模式下的对比度，并且其中，图7B不使用光阻特征以使较低阶模式对比度得到改进；
图8-14为使用如下所述的棱镜耦合系统的不同配置，对各种IOX基材进行测量的模式光谱的另外的实例；
图15为用于图3A的棱镜耦合系统中的示例性红外(IR)光源的示意图；
图16为棱镜和与棱镜的耦合表面接合的示例性翘曲基材的特写侧视图；
图17为棱镜和基材的特写侧视图，其中，基材由使用真空的示例性卡盘组件支撑以使基材形状基本上符合卡盘组件中的压板的形状；
图18和图19类似于图17，并且示出了一个卡盘系统的实例，该卡盘系统提供了空气垫，该空气垫使基材基本上符合棱镜的耦合表面的形状，同时图19示出了压板和基材背部之间的密封环，该密封环用以帮助限制空气垫；和
图20A和20B为一个示例性棱镜的俯视图，该示例性棱镜包括通道，该通道可用于在棱镜的耦合表面处建立真空以使基材基本上符合耦合表面的形状。
详细描述
下面将详细说明本公开的各个实施方式，这些实施方式的实例在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同或类似的附图标记和符号来表示相同或类似的部分。附图不是必需按比例绘制的，并且本领域的技术人员会识别附图被简化之处以说明本公开的关键方面。
如下所述的权利要求被纳入本详细描述且成为其组成部分。
在一些附图中示出了笛卡尔坐标(Cartesian coordinates)，其用于参考并且不旨在作为指向或方向的限制。
缩写RIU表示“折射率单位(refractive index units)”。
下文的讨论涉及通过IOX工艺形成的波导的较低阶模式和较高阶模式，所述IOX工艺在各实例中可为单IOX工艺或双IOX工艺(DIOX)。各模式通过电场振幅的深度分布中的零值(节点)的数目排序。最低阶模式(对于横磁模式，标记为TM0；并且对于横电模式，标记为TE0)在分布中没有零值，并且具有最高的有效折射率。第二模式(TM1或TE1)在其电场振幅的深度分布中具有一个节点，并且具有第二高的有效折射率，以此类推。通过波导支持的两个偏振状态中的每一个的最高阶导模在电场振幅的深度分布中具有最多的零值，并且在那种偏振状态的模式之间具有最低的有效折射率。
在关于具有大DOL的化学强化玻璃的许多实例中，使用强化离子(例如K+用于用K+离子交换Na+)并且最高阶模式的有效折射率可能仅稍微高于基材或本体玻璃的折射率，并且最低阶(基本)模式的有效折射率可能仅稍微低于波导内部任何地方的材料的折射率的最大值(通常发生在玻璃表面)。
因此，本文中使用的术语“较高阶模式”和“较低阶模式”在某种程度上是相对的，因为，为了方便起见，我们可能将某一数目的最低阶模式共同定义为“低阶模式”，并将更高的剩余的模式组成“较高阶模式”。因此，用于在各模式间进行区分或将各模式归在不同组中的具体的差别是为了便于描述而非旨在限制。
在下文的讨论中，基材20还在下文中被称为“样品20”或仅称为“样品”。
IOX和DIOX基材
图1A为平面离子交换基材20形式的示例性玻璃基材的俯视图，其具有主体21和(顶)表面22，其中，所述主体具有基础(本体)折射率ns和表面折射率n0。图1B为以x-y平面截取的离子交换基材20的特写横截面图，其示出了穿过表面22发生的并且以x方向进入到主体21中的双离子交换(DIOX)工艺实例。
图1C示意性地示出了在基材20上的DIOX工艺的结果。基材20包括主体21中的基材离子IS，其与第一离子I1和第二离子I2进行交换。使用已知技术可将第一离子I1和第二离子I2顺序或同时引入到玻璃主体中。例如，在引入第一离子I1之前，第二离子I2可为通过KNO3浴引入的K+离子以用于强化，所述第一离子I1可为通过含AgNO3浴引入的Ag+离子以增加相邻表面22的抗微生物特性。图1B中表示离子I1和I2的圆圈仅用于示意性说明，它们的相对尺寸不必然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。
另外，离子I1在区域R1和R2(参见图2，在下文介绍和讨论)中可以大量的数目存在，类型I2的离子也如此。甚至对于一步IOX工艺，可观察到两个区域R1和R2的形成，其在离子I1和I2的相对浓度上有显著差异。在一个实例中，在含有KNO3与AgNO3的混合物的浴中使用含Na玻璃的离子交换，可获得Ag+和K+均为显著浓度的区域R1；以及还获得区域R2，在R2中，Ag+和K+虽为显著性浓度但是Ag+相对于K+的相对浓度在区域R1中可能显著大于在区域R2中。区域R1和R2限定了波导区域(“波导”)24，其与基材20的表面22相邻。
图2为基材20的示例性折射率分布n(x)的表示图，所述基材20例如图1C所示的经历了DIOX工艺的基材。折射率分布n(x)包括与较浅的离子交换(离子I1)相关的第一区域R1，并且其具有进入主体21的深度D1。折射率分布n(x)还包括与较深的离子交换(离子I2)相关的第二区域R2，并且其具有限定层深度(DOL)的深度D2。在一个实例中，DOL至少为50μm，并且进一步地，在一个实例中，DOL可大至150μm。在另一个实例中，DOL为70μm或更大，或者为100μm或更大。
在实践中，在生产较浅的区域之前，可以先生产较深的第二区域R2。区域R1与基材表面22相邻并且相对较陡和较浅(例如D1为几微米)，而区域R2不那么陡峭并且相对延伸深入基材中，深入前述深度D2。在一个实例中，区域R1在基材表面22处具有最大折射率n0并且迅速逐渐减小至中间折射率ni，而区域R2从中间折射率更加缓慢地逐渐下降至基材(本体)折射率ns。此处要强调的是，其它离子交换工艺可导致陡且浅的近表面的折射率发生变化，并且本文通过示例的方式讨论双离子交换工艺。区域R1的折射率分布n(x)的部分表示折射率的“尖峰(spike)”。
在一个实例中，本文公开的方法使用基材20的光学测量，所述基材20使用IOX或DIOX工艺形成。该测量使用如下文所述的棱镜耦合系统进行。使用常规耦合棱镜的这样的系统在本领域是已知的，并且适合用于实施本公开的方法的具有下述改进的示例性系统在上述美国专利申请中有所描述。
棱镜耦合系统
图3A是示例性棱镜耦合系统10的示意图，其适于实施测量基材20的TE和TM模式谱的方法，所述基材20具有例如如图2所示的折射分布为n(x)。图3B为图3A的棱镜耦合系统10的光检测器系统的特写图。在一个实例中，基材20构成了化学强化玻璃，例如由纽约州康宁市的康宁有限公司(Corning,Inc.,of Corning,New York)制造的玻璃。
棱镜耦合系统10包括基材支持器30，配置其以支持基材20。然而，在一个替换性的实施方式中，不需要基材支持器30。棱镜耦合系统10还包括耦合棱镜40，其具有输入表面42、任选的顶部平坦表面41(参见图20A)、耦合表面44和输出表面46。耦合棱镜40的折射率np>n0。耦合棱镜40通过使耦合-棱镜耦合表面44和基材顶部表面光学接触而与基材20的顶部表面(“耦合表面”)22接合，由此限定基材-棱镜界面(“界面”)50，所述基材-棱镜界面50任选地包括接合流体(未示出)。
耦合棱镜40包括输出侧棱镜角(“棱镜角”)α，其测量由输出表面46与耦合表面44形成的角。虽然示例性的棱镜角α为60°，但是可有效地使用其它角度。
继续参考图3A，棱镜耦合系统10包括光轴A1和A2，其各自经过耦合棱镜40的输入表面42和输出表面46，以在考虑了棱镜/空气界面处的折射之后大致在界面50处聚集。棱镜耦合系统10沿着轴A1依次包括光源60，其发射波长为λ的测量光62；任选的滤光器66，其可以可选地包括在轴A2上的检测器路径中；任选的光散射元件70，其形成散射或漫射光(“漫射光”)62S以及任选的聚焦光学系统80，其可以如下文所解释的，部分地聚集光62或62S。因此，在一个棱镜耦合系统10的实例中，在光源60与棱镜输入表面42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和任选的聚焦光学系统80构成了光源系统82。在下文的讨论中，作为示例，假设散射光62S耦合到基材20的波导24中。
系统10从耦合棱镜40出发，沿轴A2还包括聚集光学系统90，其具有聚焦平面92和焦距f，并且如下文所解释的，其接收反射光62R；偏振器系统100；以及光电检测器系统130。还可包括任选的光阑(iris)93，其与聚集光学系统90相邻。
轴A1限定了光源60与耦合-棱镜耦合表面44之间的光路OP1的中心。轴A2限定了耦合表面44与光检测器系统130之间的光路OP2的中心。注意，由于折射，轴A1和A2可以分别在输入表面42和输出表面46处弯曲。它们也可以通过在光路OP1和/或OP2中插入镜子而被分解为子路径。
在一个实例中，光检测器系统130包括检测器(照相机)110和抓帧器120。在下文讨论的其它实施方式中，光检测器系统130包括CMOS或CCD照相机。图3B为光检测器系统130的偏振器系统100和检测器110的特写俯视图。在一个实例中，偏振器系统100包括TE偏振器部分100TE和TM偏振器部分100TM。光检测器系统130包括光敏表面或传感器112。光敏表面112存在于聚集光学系统90的聚焦平面92中，该光敏表面与轴A2大致垂直。这用于将离开耦合棱镜输出表面46的反射光62R的角分布转换成照相机110的传感器平面处的光的横向空间分布。参考图3B的特写插图，在示例性的实施方式中，光敏表面112包括像素112p，即，检测器110为数字检测器，如数字照相机，并且光敏表面112为传感器，如CMOS传感器。
将光敏表面112分成TE部分112TE和TM部分112TM便于同时记录反射光62R的TE和TM偏振的角反射光谱(模式光谱)的数字图像。这一同时检测消除了测量噪声源，测量噪声源可在不同时间进行TE和TM测量产生。
在系统10的另一个实施方式中，偏振器系统100不具有分离偏振器配置，而是包含单个偏振器，该单个偏振器在传输TM或TE光谱的两个状态之间顺序旋转90度，以顺序采集TM和TE耦合光谱。在该实施方式中，可将偏振器系统100置于光源路径OP1或检测器路径OP2中。
图3C为通过光检测器系统130捕获的，并且与波导24相关的TM和TE模式光谱113的示意图；模式光谱113包括模式线115。更具体而言，TM和TE模式光谱113由各自的光谱线(模式线)115TM和115TE组成，二者的宽度分别为WTM和WTE。TM和TE模式光谱各自包括较低阶模式(即高效折射率模式)L-TE和L-TM以及较高阶模式(即低效折射率模式)H-TE和H-TM。相邻模式线115之间的间距表示为Δx并且其沿着给定的模式光谱113的长度变化——从较低阶模式到较高阶模式逐渐变得更小。
示例性的光源60包括激光、发光二极管和较宽频带源，如热丝灯和石英灯。在一个实例中，将光源系统82配置为漫射光源。由光源60产生的测量光62的示例性操作波长λ可包括近紫外波长、可见波长和IR波长。当光源60相干时，使用上述可以是移动或振动扩散器的光散射元件70可帮助减轻斑点，斑点对于模式线115的精确测量可能是有问题的。
棱镜耦合系统10还包括控制器150，将其配制成控制系统操作。还将控制器150配置成接收和处理来自光检测器系统130的图像信号SI，所述图像信号SI代表捕获的TE和TM模式光谱图像。控制器150包括处理器152和存储器单元(“存储器”)154。控制器150通过光源控制信号SL，可以控制光源60的激活和操作，并且接收和处理来自光检测器系统130(例如来自如图所示的抓帧器120)的图像信号SI。
在一个实例中，控制器150包含计算机并且包括读取装置，例如软盘驱动器、CD-ROM驱动器、DVD驱动器、磁光盘(MOD)装置(未示出)或任何其它数字装置，包括网络连接装置(如以太网装置)；以用于从非暂态计算机可读介质读取指令和/或数据，所述非暂态计算机可读介质例如软盘、CD-ROM、DVD、MOD、闪存驱动器或其它数字源，如网络或因特网。控制器150被配置为执行存储在固件和/或软件(未示出)中的指令，包括用于实施本文公开的测量的信号处理指令。在各实例中，术语“控制器”和“计算机”可互换。
控制器150可编程以进行本文所述的功能，包括操作系统10和后处理(信号处理)图像信号SI以得到基材20的特性的测量，例如应力分布S(x)、双折射或压缩应力CS、或者折射率分布n(x)，所述折射率分布n(x)可以包括TE和TM部分(component)。如本文所使用的，术语“计算机”不是仅限于本领域中称为计算机的那些集成电路，而是广泛地指计算机、处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路和其它可编程电路，并且这些术语在本文中可互换使用。
软件可以实现或帮助进行本文公开的系统10的操作，包括前述的信号处理。可以将软件可操作地安装在控制器150中，特别是在处理器152和存储器154中。软件功能可以包括编程，包括可执行代码，并且这样的功能可以用于实现本文公开的方法。这样的软件代码可通过通用计算机或下文所述的处理器单元执行。
在操作中，代码和可能的关联的数据记录存储在通用计算机平台内、处理器152内和/或存储器154内。然而，在其它时间，软件可以存储在其它位置和/或被输送用于加载到适宜的通用计算机系统中。因此，本文中讨论的实施方式包括一个或多个代码模块形式的一个或多个软件产品，其通过至少一个非暂态机器可读介质实施。通过计算机系统150的处理器152执行或通过处理器单元执行这样的代码使得平台能够以基本上在本文讨论和示出的实施方式中所进行的方式来实现目录和/或软件下载功能。
控制器150和/或处理器152可以各自使用非暂态计算机可读介质或机器可读介质(例如，存储器154)，其是指参与向处理器提供指令以执行的任何介质，所述指令包括例如，确定基材20的表面双折射/应力或应力分布S(x)的量。存储器154构成了非暂态计算机可读介质。这样的介质可以采取许多形式，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，如作为上文讨论的服务器平台之一操作的任何计算机中的任何储存装置。易失性介质包括动态存储器，如这样的计算机平台的主存储器。物理传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括在计算机系统内包含总线的电线。
因此，非暂态计算机可读介质的常见形式包括例如软盘(floppy disk)、软磁盘(flexible disk)、硬盘、磁带、闪存驱动器和任何其它磁介质；CD-ROM、DVD和任何其它光学介质；不太常用的介质，如打孔卡、纸带和任何其它具有孔图案的物理介质；RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM和任何其它存储器芯片或盒；传送数据或指令的载波、传送这种载波的电缆或链路(links)，或者计算机可从其中读取编程代码和/或数据的任何其它介质。这些形式的计算机可读介质中的许多可能参与到将一个或多个指令的一个或多个序列携带到处理器152以进行执行。
在一个实例中，对控制器150进行编程以基于测量的模式谱确定离子交换的基材10的至少一个特性。示例性的特性包括：表面应力、应力分布、压缩应力、层深度、折射率分布和双折射。在一个实例中，如在A.Brandenburg的文章“Stress in Ion-Exchanged GlassWaveguides(离子交换玻璃波导中的应力),”Journal of Lightwave Technology(光波技术期刊)4,第10期(1986年10月):1580–93所公开的，以及还如在前述’546申请中所公开的，对控制器150进行编程以实施计算。
棱镜耦合系统10可以为商用棱镜耦合系统的改进版本，所述商用棱镜耦合系统例如由日本东京的折原工业有限公司(Orihara Industrial Co.,Ltd.,of Tokyo,Japan)制造和销售的FSM-6000棱镜耦合系统。该系统在下文中被称为“FSM系统。”FSM系统采用“m线(m-line)”方法，并且代表了平面离子交换玻璃中高通量无损测量应力的现状，并且其利用的耦合棱镜40在589nm的棱镜折射率np＝1.72。FSM系统使用折射率nf＝1.64的折射率匹配流体。在FSM系统中，从前两个TM和前两个TE模式的有效折射率neff计算出表面压缩应力(CS)，而使用观察到的模式的总数连同基材折射率和前述前两个模式的有效折射率，基于线性折射率分布假设进行DOL计算。
两步测量系统和方法
在一个示例性的实施方式中，图3A的光源系统82被配置为产生漫射光62S，所述漫射光62S在相对较宽的输入角范围或锥体上照射棱镜40的耦合表面44。棱镜40将该漫射光62S的锥体耦合到基材-棱镜界面50上的若干可能不同的入射角。在一个实例中，前述流体，例如具有某一折射率的油，被包括在基材-棱镜界面50中。通常，这样的流体的折射率与玻璃基材的折射率不同以避免测量中的困难和不准确性。与波导24的可能的允许光路(模式)相位匹配的那些入射角的漫射光62S被耦合到玻璃波导中，所述波导24在样品20的表面22中形成。以其它角度入射的漫射光(在下文中称为“光”)62S不被耦合到波导24中。
在聚集光学系统90的帮助下，对从棱镜40输出、在输出表面46输出的光62R进行成像，并且在检测器110所在的聚焦平面92处形成模式线115的图案(参见图3C)。此处，黑色模式线115对应于以其耦合到波导24中的光62S的角度或等效折射率，使得这些角度的光不存在于模式光谱113中。因此，光62S未被耦合的所有其它角度更加明亮。模式线115的位置可根据折射率进行描述。如果在如图3A和图3B中所示的输出框架的一半中使用偏振器系统100，则接着可以测量不同的偏振(TM相比TE)，如图3所示。如果在样品中存在应力，则TE模式线115TE和TM模式线115TM将不会彼此对齐，如图3C所示，从而表明样品上的一些应力诱导的双折射。
在测量基材20的表面22处的压缩应力CS的示例性方法中，使用前2种TM模式和前2种TE模式，以及一些近似值来外推表面处的应力值。为了计算DOL，需要具有所有模式的数量和基材表面与深的内部之间的折射率差。通过对TE和TM模式光谱中存在的模式线115的数量进行计数，可计算每个偏振的近似DOL。
在棱镜耦合系统10的一个实例中，耦合棱镜40可相对较大(例如在耦合表面44处为25mm x 25mm)。图4为一个示例性棱镜40的俯视图，该棱镜40包括在棱镜的输入面42上的掩膜45。掩膜45限定了缝隙开口47，在一个实例中，所述缝隙开口47的宽度在1mm至20mm之间。另一个掩膜45可用在棱镜40的输出面46处以限定其上相应的缝隙47，从而进一步限制光62R的空间角度的范围。该掩膜技术可用于改进多个较高阶模式的检测和对比度。
图5与图4类似，并且示出了其中棱镜40包括在棱镜附近的至少一个光阻特征49的实例，该光阻特征49与输入表面42和输出表面46中的一个或两个相邻。两个示例性的光阻特征49在图5中示出。在该实施方式中，光阻特征49可与一个或多个掩膜45结合使用。在一个实例中，光阻特征49可与棱镜40间隔开并且可垂直而不是成某一角度(参见图3A)。
对于在波导24的尖峰DIOX区域R1中检测基本或低阶模式的特定情况，光阻特征49用于减少基本和较低阶模式的模式耦合和角分布，其在光检测器110处更加分离，使得它们更容易被可见。然而，它也降低了在光检测器110处更多和更紧密间隔的高阶模式的对比度。因此，在峰值DIOX折射率分布的情形中，对较低阶模式和较高阶模式的成像进行权衡，并且相应地选择光阻特征49的尺寸(即，高度h)。
在一个实例中，光阻特征的高度h在0.2mm至20mm的范围内，示例性的高度为2mm。光阻特征49相对于棱镜40的位置还可以变化。在各种示例中，光阻特征49存在于距相应的棱镜表面0mm至50mm的距离处。与输入表面42相邻的光阻特征49用于控制被允许通过棱镜到界面50的输入光62S的入射角。
如上注意到的，常规棱镜耦合系统(如FSM系统)对于DOL<75μm的单离子交换(SIOX)波导相对有效。对于一般不能很好地近似于三角折射率分布的单离子交换(SIOX)或DIOX分布的更深的值，测量精度可以降低到不能令人满意的程度。
第一示例性DIOX测量
上述棱镜耦合系统10用于通过DIOX工艺对在基材20中形成的波导24进行测量。最初，用第一离子交换步骤产生单IOX样品，所述第一离子交换步骤为在具有约57重量％NaNO3和42.5％KNO3且余量主要为硅酸的浴中，在460℃下进行17.5小时。经改进的棱镜耦合系统10具有聚集光学系统90，其焦距f＝200mm；和光检测器110，其为具有215像素/mm的CCD照相机形式。棱镜40在耦合表面44处为25mm x 25mm，并且掩膜45被用在输入表面42和输出表面46上以限定7mm宽的缝隙孔径47。这导致紧密间隔的模式线115的更优的可视化(成像)。该测量配置可以在深DOL样品20的第一步骤IOX上使用，其稍后将经历用于形成浅区域R1的第二步骤IOX。测量该样品以在模式TM和TE中获得模式光谱113TM和113TE，如图6所示。确定用于该第一IOX步骤的示例性波导24的DOL在145μm至150μm的范围内。
然后使样品进行第二IOX步骤，所述第二IOX步骤为在具有至少99重量％KNO3和约0.5重量％NaNO3，且余量主要为硅酸的浴中，在390℃下进行15min。然后在棱镜耦合系统10中使用系统的两种不同配置，即具有光阻特征49的配置(图7A)和不具有光阻特征的配置(图7B)测量该样品，以产生如图7A和7B所示的模式光谱113TE和113TM。
通过比较7A和7B的模式光谱113TM和113TE，使用光阻特征49使得第二步骤IOX的模式线115TM和115TE更加可见(即，对比度增加)。然而，它也降低了测量模式线115的总数的能力并因此使DOL的确定更加困难。而且，由于第二IOX的存在，因为折射率分布的非三角形(即非线性)形状，计算出的DOL是错误的。
可以考虑使用具有光阻特征元件49的棱镜耦合系统10的配置以获得图7B的模式光谱，从而测量DIOX工艺的第一步骤和第二步骤，但是会有在IOX的第一步中确定DOL的增加误差的风险，特别是低估了DOL。该方法对DOL小于约150μm可以足够有效。然而，对于DOL>150μm，使用相同的系统配置测量第一步骤和第二步骤伴随着显著的DOL误差。对棱镜耦合系统10使用两种不同的配置一般提供了更好的总体DOL测量。
第二示例性DIOX测量
在下文中，示出了对系统10使用两种不同配置用于在制造步骤1和步骤2后进行的测量，其使用棱镜耦合系统10，所述棱镜耦合系统10具有相似的棱镜40(25mm x 25mm)和焦距f＝200mm的聚集光学系统90，以及光检测器110，其具有稍微较小的像素(227像素/mm而不是215像素/mm)。在光电检测器系统130中采用最大光圈为12mm的光阑93，如图3A所示。
图8示出了如上文所述产生的步骤1样品20的完全分辨的模式光谱113TM和113TE。在该测量中不使用光阻特征49，并且调节照明以使沿棱镜的照明长度最大，以使分辨率最大，同时光阑93完全开启。
图9示出了在第二IOX之后的样品的完整的模式光谱113TM和113TE，其在与用于测量图8的光谱113TM和113TE的测量条件相同的测量条件下采集。对应于浅区域R1的稀疏的模式线115TM和115TE具有相对低的对比度。
图10示出了与图9相同的模式光谱，但是是在插入光阻特征49之后，所述光阻特征49进入到了光束62S的顶侧中。与图9的光谱相比，稀疏的模式线115的对比度得到了大幅改进，但是丧失了在TM(上半部)光谱右侧的较密的模式线。
图11示出了与图10相同的模式光谱113TM和113TE，但是是在没有光阻特征49并且具有约7mm的缩小的直径的光阑93的情况下获取。稀疏的模式线115具有高的对比度，但是在上半部(TM)中的密集模式线光谱中又有一个模式线未分辨出来。图8至11示出了一个实施方式，其中使用光阑93或光束顶部中的光阻特征49(参见图3A)可以获得稀疏模式线115的高对比度。
对具有密集模式线区域和稀疏模式线区域的DIOX模式光谱113TM和113TE进行测量提供了控制基材20的尖峰深度和易碎性状态的有限能力。特别地，对于一些常规的棱镜耦合系统，CS、DOL和CT的结果是基于假设单片段线性截断折射分布所进行的计算，这对于DIOX波导24来说不是非常准确的假设。从这三个参数中未确定尖峰的深度，并且在步骤2IOX之后的CS、DOL和CT的组合仅提供了控制易碎性的部分方式。例如，如果CS低于某一上限，并且DOL在某一范围内，那么如果CT低于某一上限(对于感兴趣的特定厚度)，则玻璃基材易碎的可能性相对较低。
与DIOX分布不同，特别是当DOL是基材厚度的一小部分时，CT方面的易碎性极限对于单片段线性分布来说是非常明确的。当DOL是基材厚度的大部分(例如大于10％)时，单片段分布仍然可以具有明确的易碎性极限，这对感兴趣的DOL附近的DOL的合理限制范围有效。
在一个实例中，如果采取以下步骤，则通过使用基于单片断线性分布的假设可有效地测量和控制DIOX分布：
1)对于感兴趣的DOL的特定范围，找到某一物理CT与特定厚度的易碎性极限相关联。
2)选择最终的物理CT作为步骤2后的目标物理CT，该最终的物理CT不超过物理CT易碎性极限。
3)分配优选的CT预算——对于步骤1为物理CT限制，其余的分配给步骤2。在一个实例中，对于在0.4到1mm范围内的厚度，步骤1物理CT的优选范围可以包括总体最终物理CT的0.8-0.89。在一个实例中，用于单调应力分布的物理CT可通过找到应力诱导的双折射找到，应力诱导的双折射通过使用反WKB方法恢复感兴趣的样品的测量模式光谱上的TE和TM折射率分布，并施加力平衡以使内部拉伸区域中的应力积分等于压缩区域中的应力积分找到。
4)为步骤1分配FSM型CT极限，其对应于预算给步骤1的物理CT；
5)对于制造控制，在步骤1之后测量FSM型CS/DOL/CT，并确保FSM CT低于步骤1的FSM-CT极限。
6)使用经验数据或建模，基于CS和尖峰的深度为尖峰分配FSM型CT极限。尖峰的深度通过手动测量来发现，其中只计数稀疏模式，或者通过如下所示的自动测量，由设置为仅分辨尖峰的稀疏模式的系统来发现。
对于尖峰的FSM型CT极限与尖峰的预算物理CT之间的对应关系可以说明步骤1的典型CS。例如，如果步骤1CS通常为约200MPa，并且尖峰CS为约800MPa，以及尖峰DOL为约12微米，则如下计算厚度为800微米的FSM型CT：
另一方面，相对于第一步骤的CS增加约为850-200MPa，因此，随着尖峰深度或CS增加，可能与物理CT增加相关性更好的尖峰的FSM型CT为：
在通过尖峰测量选择观察到的FSM型CT值中，对应于尖峰的物理CT预算的FSM型CT增量可以乘以一个因子：
其中，下标1和2表示离子交换步骤1和离子交换步骤2之后的值。如此施加的更高的FSM型CT极限说明在步骤2之后的测量中忽略了来自步骤1的大量CS的存在，因此，有助于使CT从步骤1到步骤2得到增加的CS变化是CS2-CS1，而不仅是CS2。
在第二IOX之后，在配置的棱镜耦合系统10上测量基材20，配置该棱镜耦合系统10以测量区域R1的尖峰的稀疏模式。如果深区域R2的密集堆叠模式线115中的一些或大部分被自动分辨(例如，通过软件)，则可使用手动测量模式来捕获并计数仅限制在尖峰区域R1中的稀疏模式116。
或者，如下所述，使用被配置为仅分辨区域R1中的尖峰的稀疏模式115的棱镜耦合系统10，允许快速自动测量，以用于确定尖峰的CS和DOL，以及用于确定FSM-型CT的极限。在相关的实施方式中，尖峰可能需要使CS和DOL落在规定范围内，选择尖峰以保证基于经验数据，由尖峰引起的物理CT的增加不超过尖峰的物理CT容限。
图12示出了使用如上所述配置的棱镜耦合系统10获得的示例性模式光谱113TM和113TE，配置该棱镜耦合系统10以捕获图11的模式光谱，但是其具有光阻特征49，该光阻特征49插入在与棱镜40的输出面46相邻处以阻挡光63R的底部(参见图3A)，从而显著降低系统分辨率，特别是对于高阶模式。光阻特征49位于距离棱镜输出表面46的底部边缘约20mm处，并且位于光阑93的前方约5mm处，其被设定为具有约5mm的缩小的直径。将光阻特征49配置成向上延伸以略微(约1.5mm)在光轴A2上方。
在图12中，稀疏的模式线115TM和155TE被清楚地分辨，并且最后的稀疏模式线与融合的密集模式线的区域之间的间隔是可见的和可测量的。棱镜耦合系统10可使用最后检测到的模式线115与到暗区域的过渡之间的间隔来确定总模式计数的分数部分，以更准确地估计DOL。利用本实施方式的光阻特征49，棱镜耦合系统10可使用ta线性分布假设测量尖峰的DOL，并且还可通过相同的测量提供CS型CT和FSM型CT。
图13示出了使用用于捕获图12的模式光谱的棱镜耦合系统10收集的示例性模式光谱113TM和113TE，由于光源106的高度被调节得更高，导致光耦合回到支配收集的模式光谱的棱镜。在一个实例中，将棱镜耦合系统10配置为测量作为亮线的模式线115。适当选择如图13中白框所示的测量区域，亮线光谱的测量以与暗光谱的测量相等的方式进行，再次允许对于尖峰的CS、DOL和CT进行快速自动估计。
上述顺序描述了一种有效和快速的方法，以通过使用配置为优化捕获不同IOX步骤的光谱的重要特征的棱镜耦合系统10，在每个制造步骤之后进行测量来保证适当的产品制造。
此外，终产品的接收者可能想要确定作为产品的DIOX基材20是否符合某些质量要求。在这种情况下，不可使用步骤1之后的测量，可以使用以下方法：
1)如图12和13所示，使用配置用于收集尖峰光谱的棱镜耦合系统10收集模式光谱测量。确保尖峰CS、DOL和CT符合产品要求。
2)收集部分密集模式光谱113TM和113TE，抑制尖峰的模式线115，并估计深区域R2的部分DOL，以及在尖峰下近似CS。该部分测量的CS、DOL和CT的极限可以通过符合所有要求的分布的经验数据设置，如在每个制造步骤后测量的，或通过完整的应力分布分析(例如使用IWKB方法)进行确认。如果早已经确定尖峰符合其自身的规范，则进行的测量符合这些极限保证了分布符合规范。
图14示出了对相同的DIOX样品20收集的TM模式光谱113TM和TE模式光谱113TE，但是没有光阻特征49以及没有光阑93，以采用聚集光学系统90的全23mm光圈。调整光源60的高度使密集间隔的模式线115获得高分辨率，并同时使低阶、稀疏模式线获得低对比度。在该方案中，棱镜耦合系统10的处理软件可错过稀疏的模式线115，并且检测尖峰下方的深区域R2的CS和部分DOL。
为了确保尖峰下方的CS值大致正确，从处理的TM模式光谱113TM和TE模式光谱113TE中排除所有的尖峰模式线，同时不错过深区域R2的最高折射率模式线115。在图12的底部区域，容易分辨的模式线的最左边实际上为最后的区域R1模式线。因此，通过从处理中除去该模式，例如通过使用手动测量模式，可以更加准确地估计区域R1中的尖峰下方的压缩。
可切换的光阻特征
在本公开的另一方面中，用于消除对应于深区域R2的模式的模式线的光阻特征49是可切换的，即可以选择性地插入到及退出光路OP1或OP2中(参见图3A)。在图5所示的实例中，将可切换的光阻特征49连接到插入/移除装置51，该插入/移除装置51用于从光路OP1或OP2中插入和移除光阻特征。在一个实例中，插入/移除装置51提供了旋转和平移运动中的至少一个。以这种方式，可通过使光阻特征49就位来获得陡峭的浅区域R1的测量，紧接着在切换光阻特征(即，将其从光路OP1或OP2中移除)之后测量深区域R2的密集光谱，并调整测量区域以仅考虑密集间隔的模式线。以这种方式，可以在相同的基材20上进行两个连续的测量。这使得测量更快并简化了质量控制过程。
在一个实例中，可以使用机械止动器(未示出)来确保在分布的浅区域R1的每次测量中将光阻特征49插入到相同的高度h。此外，可以使用在棱镜40的任一侧上的两个光阻特征49，并且通过两个插入/移除装置51进行独立控制，或者通过单个插入/移除装置进行同时控制。在一个实例中，插入/移除装置可以是杠杆或其它简单的机械或机电器具的形式。
用于超DOL测量的基于IR的系统和方法
对于DOL值大于70μm或100μm或者甚至大于150μm的DIOX波导，可以实现对上述棱镜耦合系统和方法的进一步改进，其导致测量精度更大，例如，对于DOL标准偏差低于约2μm，或约1％。
在一个实例中，棱镜耦合系统10的光源60为或者包括近IR光源，该近IR光源的波长在λ＝700nm至2200nm之间。然而，由于广泛使用CCD格式或CMOS格式的硅照相机，因此，在λ＝700nm至1100nm之间的波长是特别方便的。对于在λ＝1100nm至2200nm之间的波长，可以使用非Si检测器，例如InGaAs、InP、Ge、HgCdTe或替代的测辐射热/热传感器，或者通过在该范围内的近IR到可见光的磷光的升变频器。另一个感兴趣的范围是从3.5um至5.5um的中IR，这需要使用InAs技术或HgCdTE技术的照相机。
再次参考图2和其中示出了DIOX波导的示例性折射率分布，第一IOX用于产生深扩散以限定区域R2。在区域R2中，随着扩散更加深入玻璃基材，光学模式非常密集。接着第二IOX可用于改进折射率和应力分布。该第二IOX导致上部的浅区域R1在表面22附近的折射率分布中具有尖峰，并且具有相对良好间隔的光学模式。对于使用双IOX的“尖峰+尾分布”的特定情况，模式线115形成了稀疏区域，随后是更为密集的区域。
在近IR成像棱镜耦合系统10的模式光谱113中存在的模式线115的数目小于在波长λ＝589nm下操作的可见波长棱镜耦合系统的模式线的数目。该模式数量的减少导致更好地可视化和量化模式线115的数目和相对于光检测器110的像素尺寸的模式线间距。这进而允许更加准确地测量DOL，使大DOL值具有更低的标准偏差。这对于区域R2的尾部的模式的密集区域尤其如此。
再次参考图3A，示例性棱镜耦合器10被配置为在深SIOX和双IOX情形中测量深DOL样品。示例性配置包括较大的棱镜40，例如25mm x 25mm，并且包括掩膜45，该掩膜45具有宽度在1mm至20mm之间的缝隙开口47。掩膜45和缝隙开口47的使用在棱镜40的输出表面46上是任选的。示例性配置还包括光阻特征49，其与在输入侧42和输出侧46处的棱镜40相邻。
当检测尖峰的双IOX区域中的基本模式或低阶模式时，光阻特征49减少了基本模式和低阶模的模式耦合和角分布，二者在光检测器110处更加分离，使得它们可更容易被见。然而，如前文所述，它们也降低了数目多且更紧密间隔的高阶模式的对比度。因此，在DIOX折射率分布的情形中，对较低阶模式和较高阶模式的可视化进行权衡，并且相应地选择光阻特征的尺寸。
当测量单IOX的CS/DOL和双IOX或更高IOX工艺的DOL时，使用光阻特征49的使用是任选的。当测量尖峰区域R1的CS/DOL时，当该区域具有非常陡峭的折射率分布时，采用光阻特征49。
图15是示例性的基于IR光源系统82的横截面部分分解图。示例性光源60包括LED，其在波长λ＝850nm发射光62并具有900mW的光功率。聚焦光学系统80由透镜管81支撑，聚焦光学系统具有相对短的焦距，例如f＝16mm。光源60经由连接器61和管保持器63可操作地连接到透镜管81。滤光器66是窄带通滤光器，例如4nm，并且光散射元件70的粒度在例如200至1500之间。滤光器66和光散射元件70通过长度短的管间隔件67可操作地连接。
短焦距透镜80用于捕获从LED光源60发射的大多数(即使不是全部)光62并且重定向光。角漫射光被窄带通滤光器66过滤。当使用宽带光时，用于棱镜40的玻璃的色散具有不利影响，其使观察到的模式线115加宽并且削弱了它们的对比度。因此使用滤光器66减轻了这种不利的色散效应。然后，光散射元件70扩散光62。当光散射元件70与适当的聚焦(聚光)光学系统80组合时，其被配置为有效地提供来自光源60的光62的角光谱的所需的重新分布。当光束62S中的光输出功率的量是关注的问题时，可使用导致更小的散射损失的光散射元件的较高的粒度值。
使用基于硅的传感器的CCD照相机的典型光谱响应限于约1100nm，在约500nm处具有最大响应，并且在850nm处的响应为最大响应的约20％。因此，当对于光源系统82使用850nm的操作波长时，优选以最大增益操作基于CCD的光检测器100。
在对基材进行单IOX处理之后，使用上述改进的基于IR的棱镜耦合系统10，测量基材的模式光谱。用第一IOX步骤产生IOX样品20，所述第一IOX步骤为在具有约49重量％NaNO3和51％KNO3的浴中，在460℃下进行14.0小时。模式线115清晰可见，并且清楚地看到它们的分离。样品的DOL确定为约144μm。
然后使单IOX基材20进行第二IOX步骤，所述第二IOX步骤为在具有至少99重量％KNO3和约0.5重量％NaNO3，且余量主要为硅酸的浴中，在390℃下进行15min。然后测量DIOX基材的模式光谱。模式线115清晰可见，并且清楚地看到分离。通过忽略前两个或前三个模式线115并且仅测量剩余的更锐利和紧密间隔的模式线，即使在存在由第二IOX产生的尖峰之后，也可评估第一IOX的DOL。从制造的角度来看，这是方便的，因为可以在第二步IOX之后获得第一IOX工艺的关键参数。
然后使用棱镜耦合系统10的不同配置测量DIOX样品20以产生模式光谱。下文的表1列出了如上所述使用基于IR(850nm)的棱镜耦合系统10对DIOX样品20进行16次连续测量的结果。在表1中，“#”为测量数，“<DOL>”为平均DOL，“DOLU”为上DOL，并且“DOLL”为下DOL，测量的所有DOL值单位为微米(μm)。
表1中，基于TM模式的平均DOLU为DOLU＝144.31μm，标准偏差为约0.75μm。对于在λ＝589nm的波长下进行的测量，标准偏差从之前在3-4μm范围内的标准偏差下降是显著的。
可使用额外的光阻特征49以使得第二步骤IOX的模式线155更加可见。然而，它降低了测量模式线总数的能力，因此使确定DOL更加困难。而且，由于第二IOX的存在，因为折射率分布的非三角形形状，仪器软件发现的DOL也是错误的。
为了更精确地测量尖峰区域R1，包括尖峰的CS和尖峰区域的深度，需要光阻特征49，但在这种情况下，可使用在可见光中的λ＝589nm的原始可见波长，或者作为替换，在λ＝400nm附近的较短波长，其处于基于硅的照相机的吸收光谱的另一较低范围内。
为了限制色散加宽模式光谱中的模式线115，采用带通滤光器66，该带通滤光器66以850nm为中心并且具有半高宽(full-width at half-maximum,FWHM)为约4nm的传输带宽。对于在DOL大于约150λ的IR波长λ处的测量，在一个实例中，在FWHM处的光源系统带宽需小于约0.007λ，优选在0.005λ以下。
使用形状控制的测量系统和方法
在某些情况下，由于模式光谱中的模式线的对比度的劣化而导致的DOL测量精度降低可能是由于样品翘曲或以其它方式错位造成。特别地，当在棱镜耦合系统中尝试快速测量这些样品时，不同样品之间的翘曲的小变化造成了显著的困难。更仔细的测量，包括对样品进行非常仔细的取向，以使沿测量方向的翘曲最小化，以及使用较长的波长，并限制模式线的色散变宽，有助于在这一非常大的DOL范围内获得更好的测量。另一方面，避免在测量期间重新调整样品在实践中是有价值的，因为它将大幅地减少测量时间。这个问题已经出现了，因为最近强调生产具有大DOL的样品，当用作便携式装置(例如智能手机)的保护玻璃时，其具有改善的抗破坏性。
当通过IOX工艺形成的DOL非常大(例如，>100微米)时，它限制了大量的光学模式，并且通过耦合到这些模式所形成的模式线115在角度光谱中以及在检测器平面92处间隔非常密集(参见图3A-3C)。在这种情况下，在测量中使分辨折中的小光学像差可阻止正确分辨模式线及正确地测量DOL和应力分布。造成这种不利的光学像差的一个来源为基材20中的翘曲。
图16为与基材20接触的棱镜40的特写图，所述基材20被翘曲以使得基材表面22不平坦。基材20中的翘曲使来自棱镜40的输入侧42的光的平行光束62S变换成棱镜的输出侧46上的非平行光束62R。如果没有将棱镜耦合系统10设置为考虑到这种翘曲诱导的测量光的发散或会聚，则由光检测器110检测的模式线115将由于翘曲而变模糊。因此，基材翘曲构成了棱镜耦合系统10中的光学像差的来源。
原则上，可以通过偏置聚集光学系统90和光检测器110之间的距离(参见图3A)来预先补偿从一个样品到下一个样品可重复的少量翘曲，从而使得在这种可重复的翘曲的存在下获得最锐利的模式线115。例如当翘曲是通过重力诱导时，这可以起作用。如果所有样品具有相同的尺寸并且由相同的材料制成，重力诱导的翘曲将是相同的，并且可偏置聚集光学系统90以产生翘曲样品的锐利模式线115。另一方面，对于没有相同翘曲的样品，它然后将产生锐度降低的模式线115。
进行精确测量的一个更严重的问题来自于从样品到样品的大小和形状不同的翘曲。例如，翘曲可以是球形、抛物线形、双曲线形、鞍形、圆柱形、圆锥形或一些其它形状。通常它表示偏离优选的平坦形状。偏差为测量的大小以数十微米或以上为单位并且从一个样品到下一个样品不可重复对适当的波导表征来说是主要问题，并且这阻止了进行快速的质量控制测量。
具有卡盘组件的棱镜耦合系统
图17与图16相似并且示出了包括卡盘组件200的棱镜耦合系统的实施方式。卡盘组件200包括压板210，该压板210具有上表面212。压板210由具有足够厚度的坚硬材料制成以使得其不弯曲。压板210经由真空线222气动连接至真空源(例如真空泵)220。构造压板210以向压板表面222输送真空，其中，真空迫使样品大体上符合压板表面形状。因此，在测量期间，卡盘组件可使所有测量的样品20均具有大体上相同的形状。
在一个实例中，压板210由坚硬的多孔材料(例如多孔铝)制成，并且被包封在保持器216中。卡盘经由压板210中的孔将一些真空从真空线222传输至样品，并且环境压力迫使样品符合压板表面212的形状。在另一个实例中，压板210包括多个通道218(参见例如图18)，该多个通道218从真空线222通向压板表面212。
采集使用或不使用卡盘组件200的示例性模式光谱，以说明当测量DOL为约100微米的样品时，模式光谱的锐度(对比度)的改进。即使是在中等大的DOL的情形中，观察到提供的卡盘组件200改进了模式光谱，即，模式光谱具有更高的对比度，同时避免了原本必须调整相同的位置。
在一个实例中，压板210的硬度可以超过测量的玻璃基材20的硬度。在这种情形中，在一个实例中，可将软质材料(例如特氟龙(Teflon)或一些其它塑料)的薄的多孔涂层置于压板210的接触表面上以防止刮擦玻璃基材。
在一个实例中，压板210具有圆柱形状，其直径在约20mm至约100mm的范围内，并且厚度在约5mm至约30mm的范围内。圆柱体的平坦或近平坦基底中的一个接触样品20。为了减少刮擦玻璃表面的可能性，保持器216的圆形边缘可以倾斜约1度至约45度的角度。在一个实例中，连接至压板210的真空线222中的真空可以在约-0.1bar(巴)至约-1bar的范围内。
在本方法的一个具体方法中，使样品20接近压板表面212直至压板的吸力导致样品连接至压板。将压板210移向棱镜40的耦合表面44，在该耦合表面44上放有一滴折射率液体，以使得样品通过折射率液体光学接触棱镜。折射率液体的折射率可以大致等于棱镜折射率。在另一个实施方式中，折射率液体的折射率可以低于测量的基材的折射率。
在本方法的另一个具体方法中，将折射率液体施涂到棱镜40的耦合表面44上，然后将样品置于折射率液体的顶部上，并使压板210与样品接触，施加吸力以在样品上赋予所需的始终相同的形状。
使用卡盘组件200的棱镜耦合系统10的实施方式能够产生用于预定形状的高分辨率、锐利的光谱，并且确保用于测量的所有基材在测量期间一般符合压板表面形状以在次波长精度内。在一个实例中，将压板表面212尽可能地制造地平坦以用于测量名义上为平坦的基材。在实践中，只要聚集光学系统90被适当地聚焦，其中表面212略微凸起并具有约2微米圆顶高度的压板210提供了用于测量DOL在约110至约160微米范围内的大量样品的益处。
当样品厚度非常均一时，上述棱镜耦合系统10的基于卡盘的实施方式有效。如果样品厚度在测量区域上变化显著，并且该变化从一个样品到下一个样品不相同，那么在样品背面采用卡盘的形状可能不会保证耦合表面22每次均会有相同的形状。
图18与图17类似，并且示出了棱镜耦合系统10的示例性配置，其中卡盘组件200通过产生邻近压板表面212的高压区域提供气垫234’。在该配置中，真空源220被气体源230替代，并且真空线222变成气体线232以负载气体234，该气体234可以是空气或惰性气体，例如氮气。示出的压板210具有通道218，该通道218将气体234负载到压板表面212以形成气垫234’。气垫234’用于将样品均匀地压靠在棱镜耦合表面44上。这易于迫使样品耦合表面22大体符合棱镜耦合表面44的形状。该实施方式对在测量区域上厚度变化适度的样品有效。这是因为与棱镜耦合表面44接合的耦合表面22需要符合棱镜耦合表面的形状。注意，在图18中，压板表面212和样品20之间的间隔被大大地夸大了，在实践中，分离可以以微米进行测量。
在一个实例中，通过压板210的流动气体234仅受存在于压板表面212附近的玻璃基材的阻碍。图19与图18类似，并且示出了另外包括压板表面212上的密封环240的示例性实施方式。密封环240基本上防止了加压气体234从压板表面212与基材之间的空间逃逸，从而产生通过气垫234’的更有效的压力施加。换言之，密封环240有助于容纳气垫234’。优选地，密封区域不大于棱镜耦合表面44的区域，但是可以稍微大于测量区域。棱镜耦合表面44上的测量区域可以小于耦合表面的整个区域，这通过使用前述光阻特征49实现。
具有通道的棱镜
图29A和29B是包括通道48的示例性棱镜40的俯视图，所述通道从顶部的平坦表面41到达底部耦合表面44。如图29B所示，通道48可以分支出，使得在底部耦合表面44处的通道开口多于顶部表面41处的通道开口。通道48在顶部平坦表面41处气动耦合至真空源220(未示出；参见图17)。这通过通道48在底部耦合表面44处形成了真空。
均匀的周围大气压迫使样品20压靠在耦合表面44上并采用其形状。可使用至少一个通道48，但是如图28所示，一排多个(两个或更多)通道可以被用于将真空更加均匀地施加在测量区域上。
设置通道48使得光62S和62R在测量期间不会入射到通道上。在一个实例中，两排通道48的内表面的间距优选地大于约5mm，并且在一个实例中最好大于约8mm。在一个实例中，从棱镜顶部41起始的通道48的直径可在约0.5至1.5mm之间。沿着每排的棱镜耦合表面44处的通道48的间距从中心到中心应优选地小于约1cm。两行中的通道开口可以交错以改进穿过测量区域的真空施加的均匀性。
在相关实例中，可以在金属棱镜保持器中钻出通道48，所述金属棱镜保持器的上表面与棱镜耦合表面共面。金属可以为铝、铜、黄铜或不锈钢。在另一个实施方式中，金属可以为如在卡盘设计中所述的多孔铝，并且其表面与棱镜耦合表面共面。可以通过将棱镜粘合到平坦对准表面上的金属保持器上，或者甚至通过对金属保持器粘合到其上的棱镜进行抛光来满足该共面要求。
在相关实例中，可以将具有抽吸能力的棱镜40颠倒翻转，使得测量的样品在棱镜下方。样品可以悬挂在棱镜，通过来自棱镜或棱镜组件的施加的吸力依附至棱镜。
最后，在另一个实施方式中，通过棱镜或棱镜与棱镜保持器向基材施加真空可以与通过在样品的另一侧上的卡盘组件施加压力结合，结合的作用为使测量表面采用棱镜耦合面的形状。该实施方式可具有两个配置：一个为使棱镜在样品下方，一个为使棱镜在样品上方并且使卡盘组件200在样品下方。
对本领域的技术人员而言，很清楚可以在不偏离按所附权利要求书定义的本公开的精神或范围下，可对本公开所述的优选实施方式进行各种修改。因此，本公开覆盖这些修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求和其等同内容的范围之内。

Claims (20)

1.一种表征在基材中形成的双离子交换(DIOX)波导的方法，所述方法包括：
在玻璃基材中进行第一离子交换以形成波导，所述波导具有深的离子交换区域，所述深的离子交换区域具有第一分布和层深度(DOL)；
捕获波导的第一模式光谱并且从所述第一模式光谱中确定DOL；
在玻璃基材中进行第二离子交换以改变所述第一分布并且限定具有陡峭分布的浅的离子交换区域；
通过部分阻断与所述深的离子交换区域相关的一部分模式光谱捕获波导的第二模式光谱，以改进与所述浅的离子交换区域相关的一部分模式光谱的对比度；以及
从对比度改进了的第二模式光谱中为所述浅的离子交换区域确定波导的压缩应力、抗拉强度和表面应力中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，捕获第一模式光谱包括用近IR光进行棱镜耦合测量，并且其中，捕获第二模式光谱包括用可见光进行棱镜耦合测量。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，使用棱镜耦合系统捕获第一和第二模式光谱，并且其中，部分阻断一部分模式光谱包括操作性地设置至少一个与棱镜耦合系统的耦合棱镜相邻的光阻特征。
4.根据权利要求1所述的方法，其包括当捕获第一模式光谱和第二模式光谱时，将基材操作性地支撑在卡盘组件上以限定基材的形状。
5.一种表征在基材中形成的双离子交换(DIOX)波导的方法，所述方法包括：
在玻璃基材中进行第一离子交换以限定深的离子交换区域，所述深的离子交换区域具有浅的分布并且层深度(DOL)大于100μm；
用在IR波长下操作的棱镜耦合系统捕获波导的第一模式光谱并且从所述第一模式光谱中确定DOL；
在玻璃基材中进行第二离子交换以限定具有陡峭的分布的浅的离子交换区域；
通过部分阻断与所述深的离子交换区域相关的一部分模式光谱，捕获波导的第二模式光谱，以改进与所述浅的离子交换区域相关的一部分模式光谱的对比度，同时降低与所述深的离子交换区域相关的一部分模式光谱的对比度；以及
从对比度改进了的第二模式光谱的低阶模式部分中为所述浅的离子交换区域确定波导的压缩应力、抗拉强度和表面应力中的至少一个。
6.根据权利要求5所述的方法，其包括使用可见光捕获第二模式光谱。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述棱镜耦合系统包括棱镜，并且其中，不相对耦合棱镜移动玻璃基材而捕获第一和第二模式光谱。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，棱镜耦合系统包括具有输入侧和输出侧的棱镜，并且其中，部分阻断一部分模式光谱通过相对于棱镜的输入侧和输出侧中的至少一侧设置至少一个光阻特征进行。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述IR波长标称为850nm。
10.一种用于测量双离子交换(DIOX)波导的至少一个特性的测量系统，所述双离子交换波导形成于基材中以包括深区域和浅区域，其中，所述波导包括限定了模式光谱的较低阶模式和较高阶模式，所述系统包括：
耦合棱镜，其具有输入表面、输出表面和耦合表面，并且其中，所述耦合表面在基材上表面处与波导接合，从而限定了基材-棱镜界面；
发射光的光源系统，所述光通过棱镜的输入表面照射基材-棱镜界面，从而形成了反射光，所述反射光包括模式光谱的模式线，其中，反射光从耦合棱镜的输出表面出来；
至少一个光阻特征，其相对于耦合棱镜设置并且将其配置成限制从光源中出来，耦合到波导的较高阶模式中的光的量；
光检测器系统，其具有一个检测器并且将其设置成接收来自耦合棱镜的反射光并且检测检测器上的模式光谱，其中，相比于如果不存在所述至少一个光阻特征的情况，模式光谱对较低阶模式具有较高的分辨率；和
控制器，配置所述控制器以处理检测的模式光谱从而确定波导的所述至少一个特性，其中，所述至少一个特性包括浅区域的表面应力、压缩应力和抗拉强度。
11.根据权利要求10所述的测量系统，其还包括至少一个掩膜，将其设置在棱镜输入表面和输出表面的至少一个表面上，其中，所述至少一个掩膜限定了缝隙孔径的宽度在0.2mm至20mm的范围内。
12.根据权利要求10所述的测量系统，其中，光源系统包括红外(IR)光源。
13.根据权利要求10所述的测量系统，其中，将所述光阻特征配置成插入到光源系统与光检测器系统之间的光路中及从中移除。
14.一种用于测量双离子交换(DIOX)波导的至少一个特性的测量系统，所述双离子交换波导形成于基材中以包括深区域和浅区域，其中，所述波导包括限定了模式光谱的较低阶模式和较高阶模式，所述系统包括：
耦合棱镜，其具有输入表面、输出表面和耦合表面，并且其中，所述耦合表面在基材上表面处与波导接合，从而限定了基材-棱镜界面；
卡盘组件，其操作性地支撑基材并且对基材限定了形状；
发射光的光源系统，所述光通过棱镜的输入表面照射基材-棱镜界面，从而形成了反射光，所述反射光包括模式光谱的模式线，其中，反射光从耦合棱镜的输出表面出来；
光检测器系统，其具有一个检测器并且将其设置成接收来自耦合棱镜的反射光并且检测检测器上的模式光谱；和
控制器，配置所述控制器以处理检测的模式光谱从而确定波导的所述至少一个特性，其中，所述至少一个特性包括表面应力、压缩应力和抗拉强度。
15.根据权利要求14所述的系统，其还包括至少一个光阻特征，其相对于耦合棱镜设置并且将其配置成限制从光源中出来，耦合到波导的较高阶模式中的光的量。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，来自光源的光是漫射的并且具有IR波长。
17.根据权利要求14所述的系统，其中，所述光源包括发光二极管和漫射器，并且其中，所述光的波长为850nm，并且其中，所述光源系统包括滤光器，所述滤光器的带宽为约4nm。
18.根据权利要求14所述的系统，其中，所述卡盘组件包括压板，所述压板具有上表面并且将其配置为向压板上表面递送真空，并且其中，真空用于以某种方式使基材依附至压板表面，所述某种方式为使基材上表面基本上符合压板表面的方式。
19.根据权利要求14所述的系统，其中，所述卡盘组件包括压板，所述压板具有上表面并且将其配置为向压板上表面递送气体以形成气垫，所述气垫以某种方式将基材推向棱镜的耦合表面，所述某种方式为使基材上表面基本上符合耦合表面的方式。
20.一种进行基材的棱镜耦合的方法，所述基材具有波导，所述波导具有上表面和棱镜的耦合表面，所述方法包括：
经由通道提供真空，所述通道在耦合表面处开启；和
使波导上表面与棱镜耦合表面接触以使得真空造成波导上表面被压靠并且基本上符合棱镜的耦合表面。
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