CN117120827A - 用于表征化学强化透明基板中的应力的增强混合系统及方法 - Google Patents

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Abstract

混合测量系统[20]包括倏逝棱镜耦合光谱术(EPCS)子系统[100]及光散射偏振测定法(LSP)子系统[200]。所述EPCS子系统包括EPCS光源系统[110]，所述EPCS光源系统[110]经由EPCS耦合棱镜[42A]光学耦合至EPCS检测器系统[140]。所述LSP子系统包括LSP光源[112]，所述LSP光源[112]光学耦合至光学补偿器[230]，所述光学补偿器[230]继而经由LSP耦合棱镜[42B]光学耦合至LSP检测器系统[240]。支撑结构[46]支撑所述EPCS耦合棱镜及所述LSP耦合棱镜以限定耦合棱镜组件[40]，所述耦合棱镜组件[40]将两个棱镜支撑在测量位置[ML]处。使用所述EPCS子系统及所述LSP子系统进行的应力测量经组合以全面表征透明的化学强化基板[10]的应力性质。还公开了处理EPCS及LSP测量结果的方法以及用于改良测量准确度的所述EPCS子系统及所述LSP子系统的增强配置。

Description

用于表征化学强化透明基板中的应力的增强混合系统及方法
本申请案要求于2021年2月22日申请的美国临时申请序列第63/152,021号的优先权权益，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并入本文。
技术领域
本公开涉及表征透明的化学强化基板中的应力，且具体地，涉及用于表征化学强化透明基板中的应力的增强混合系统及方法。
背景技术
已经受化学强化工艺的透明基板表现出对刮伤及破裂的增加的抵抗能力。此类基板对多种显示器应用极为有用，显示器应用的范围从电视屏幕至计算机屏幕至移动手持式装置屏幕至手表。示例化学强化工艺为离子交换(ion-exchange，IOX)工艺，其中玻璃基基板的近表面区域中的离子与外部离子(例如来自盐浴的离子)交换。
制造透明化学强化(chemically strengthened，CS)基板需要表征其应力特性以确保CS基板具有适合于给定应用的所需等级的化学强化。表征通常需要测量CS基板从表面至中心的应力分布，以及相关应力参数，诸如表面压缩应力、拐点应力、层的尖峰深度、层的总深度、压缩深度及中心张力。其他应力相关参数包括双折射率随着进入CS基板的深度的变化。
有两种主要的方法用于表征透明CS基板的应力。第一种利用倏逝棱镜耦合光谱(evanescent prism coupling spectroscopy，EPCS)。EPCS方法使用耦合棱镜将光耦合至(例如通过IOX工艺)在基板中形成的近表面波导(near-surface waveguide，NSWG)所支持的导引模式中。耦合棱镜还用于将光耦合出NSWG以形成导引模式频谱。导引模式频谱包括：具有TE模式线的横电(transverse electric，TE)模式频谱和具有TM模式线的横磁(transverse magnetic，TM)频谱。分析TE模式线及TM模式线以提取包括应力分布的应力相关特性。EPCS方法对表征CS基板的近表面区域中的应力(例如，表面压缩应力及层的尖峰深度)特别有用，但是对表征驻留在基板内更深处的中心张力CT及压缩深度DOC没有用。
第二种主要方法利用光散射偏振测定法(light-scattering polarimetry，LSP)。在LSP中，利用以相对浅的角度穿过耦合棱镜的输入激光照射CS基板。使用光学补偿器使激光偏振偏振在不同的偏振振态之间不断变化。通过图像传感器检测散射光。CS基板中的应力造成沿着光路径的光学延迟，而应力的量与光学延迟的导数成比例。光学延迟的量可根据检测到的散射光强度分布来确定，检测到的散射光强度分布由于针对检测到的光的不同有效路径长度的相长干涉和相消干涉而变化。LSP方法对测量诸如中心张力(centraltension，CT)及压缩深度(depth of compression，DOC)的某些应力相关性质有用，但是对测量近表面应力相关性质没有用。
目前，为了全面表征CS基板从表面至中心的应力分布，首先使用EPCS测量系统测量CS基板，然后将其移动至LSP测量系统，且将两个测量结果拼接在一起。这是耗时的且引入了破裂风险，因为当在两个测量系统之间移动CS基板时不得不搬运CS基板。
因此，具有能够执行增强EPCS及LSP测量的单个测量系统将更有利。
发明内容
本文中公开的混合测量系统及方法实现透明CS基板的全面应力表征，其包括表面应力S(0)、包括拐点应力Sk＝S(xk)的近表面压缩应力分布S(x)、层深度DOL、中心张力CT及压缩深度DOC。全面应力表征是通过对使用EPCS及LSP测量两者的应力计算进行组合来获得。
本公开的实施例是关于一种用于表征CS基板中的应力的系统，所述CS基板具有顶部表面及近表面波导。所述系统包含：EPCS子系统，所述EPCS子系统包含经由具有EPCS耦合表面的EPCS耦合棱镜来光学连通的EPCS光源系统及EPCS检测器系统；LSP子系统，所述LSP子系统包含LSP光源系统、光学补偿器及LSP检测器系统，所述LSP检测器系统经由具有LSP耦合表面的LSP耦合棱镜与所述光学补偿器光学连通；耦合棱镜组件，所述耦合棱镜组件包含棱镜支撑框，所述棱镜支撑框被配置以可操作地支撑所述EPCS耦合棱镜及所述LSP耦合棱镜以使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面大体上驻留在共同平面中；以及支撑充气部，所述支撑充气部具有表面及测量孔，所述支撑充气部被配置以将所述CS基板支撑在所述测量孔处的测量平面处，且将所述耦合棱镜组件可操作地支撑在所述测量孔处以使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面大体上驻留在所述测量平面中。在示例中，EPC子系统和/或LSP子系统具有如下所述的增强配置。
本公开的另一实施例是关于一种测量CS基板的第一应力特性及第二应力特性的方法，所述CS基板具有表面及近表面波导，所述方法包含：将所述CS基板的所述表面相对于耦合棱镜组件可操作地设置在测量位置，所述耦合棱镜组件包含EPCS耦合棱镜及LSP耦合棱镜以分别限定相邻的EPCS耦合界面及LSP耦合界面；使用所述EPCS耦合界面执行所述CS基板的EPCS测量以获得所述第一应力特性且使用所述LSP耦合界面执行所述CS基板的LSP测量以获得所述第二应力特性，而不从所述测量位置移除所述耦合棱镜组件或所述CS基板；以及组合所述第一应力特性及所述第二应力特性以建立所述CS基板的全面应力表征。在示例中，具有如下所述的增强配置的EPC子系统和/或LSP子系统可用于执行测量第一应力特性及第二应力特性的增强方法。
本公开的另一实施例是关于一种用于表征CS基板中的应力的EPCS系统，所述CS基板具有表面及近表面波导，所述EPCS系统包含：
a)EPCS光源系统，所述EPCS光源系统包含：
i)EPCS光源，所述EPCS光源发射一多波长EPCS光束；
ii)光学滤波器组件，所述光学滤波器组件被配置以对所述多波长EPCS光束进行依序滤波以形成具有不同波长的一系列经滤波的EPCS光束；
iii)光导组件，所述光导组件将所述一系列经滤波的EPCS光束作为导引光传送至聚焦光学系统，所述聚焦光学系统被配置成接收所述所传送的经滤波的EPCS光束且由此形成一系列经滤波且经聚焦的EPCS光束；
b)EPCS耦合棱镜，所述EPCS耦合棱镜与所述CS基板的所述表面形成EPCS耦合表面并且接收所述一系列经滤波且经聚焦的EPCS光束并在所述EPCS耦合表面处将其耦合至所述近表面波导中及耦合出所述近表面波导以形成一系列经滤波且经反射的EPCS光束，所述一系列经滤波且经反射的EPCS光束分别包含所述近表面波导针对对应的经滤波且经反射的EPCS光束的模式频谱；以及
c)EPCS检测器系统，所述EPCS检测器系统包含：
i)可切换偏振滤波器，所述可切换偏振滤波器可操作地连接至一偏振控制器以依序执行所述一系列经滤波且经反射的EPCS光束的横向磁性(transverse magnetic，TM)及横向电(transverse electric，TE)偏振滤波以形成经TM及TE滤波的且经反射的EPCS光束，所述经TM及TE滤波的且经反射的EPCS光束分别包含所述近表面波导的TM及TE模式频谱；以及
ii)EPCS数字检测器，所述EPCS数字检测器被配置以依序检测所述一系列经TM及TE滤波的且经反射的EPCS光束以依序捕获所述近表面波导在不同滤波器波长下的相应TM及TE模式频谱的TM及TE图像。
本公开的另一实施例是关于在上文及本文中所描述的EPCS系统，其中所述光学滤波器组件包含光学滤波器轮。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，其中所述光学滤波器轮包含多个光学滤波器组件，所述光学滤波器组件各自包含光学滤波器及校正构件，所述校正构件被配置以提供给定滤波器波长下的聚焦校正。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，其中所述EPCS光源包含至少一个宽带光源元件。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，其中所述EPCS光源包含多个光源元件，所述光源元件分别同时或依序发射具有不同波长的不同EPCS光束。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，其中具有不同波长的所述EPCS光束是使用一个或多个光选择性元件组合成沿着共同轴线行进以形成多波长EPCS光束。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，其中所述一个或多个光选择性元件包含一个或多个双色镜。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，其进一步包含多个校正透镜，所述校正透镜分别相对于多个光源元件可操作地设置以促进将光束光学耦合至光导的输入端中。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，其进一步包含光漫射器，所述光漫射器配置成邻近光导的输入端。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，其中所述光导为充液式的。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，其中所述CS基板包含玻璃材料、玻璃陶瓷材料或结晶材料，且其中所述CS基板的近表面波导由近表面尖峰区及深部区限定。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，其中所述光导组件包含具有输出端的光导，所述EPCS检测器系统包含入射光瞳，且其中所述光导的输出端由聚焦光学系统成像至所述入射光瞳上。
本公开的另一实施例是关于一种用于表征CS基板中的应力的混合系统，所述CS基板具有顶部表面及近表面波导，所述混合系统包含如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统：散射光偏振测定法(scattered light polarimetry，LSP)子系统，所述LSP子系统包含LSP光源系统、光学补偿器及LSP检测器系统，所述LSP检测器系统经由具有LSP耦合表面的LSP耦合棱镜与所述光学补偿器光学连通；耦合棱镜组件，所述耦合棱镜组件包含棱镜支撑框，所述棱镜支撑框被配置以可操作地支撑所述EPCS耦合棱镜及所述LSP耦合棱镜以使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面大体上驻留在共同平面中；以及支撑充气部，所述支撑充气部具有表面及测量孔，所述支撑充气部被配置以将所述CS基板支撑在所述测量孔处的测量平面处，且将所述耦合棱镜组件可操作地支撑在所述测量孔处以使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面大体上驻留在所述测量平面中。
本公开的另一实施例是关于用于表征CS基板中的应力的如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，所述CS基板具有表面及近表面波导，所述EPCS系统包含：
a)EPCS光源系统，所述EPCS光源系统包含：
i)EPCS光源，所述EPCS光源发射多波长EPCS光束；
ii)光学滤波器组件，所述光学滤波器组件被配置以对所述多波长EPCS光束进行依序滤波以形成具有不同滤波器波长的一系列经滤波的EPCS光束；
iii)光导组件，所述光导组件被配置以将所述一系列经滤波的EPCS光束作为导引光传送至聚焦光学系统，所述聚焦光学系统被配置成接收所述所传送的经滤波的EPCS光束且由此形成一系列经滤波且经聚焦的EPCS光束；
b)EPCS耦合棱镜，所述EPCS耦合棱镜与所述CS基板的所述表面形成EPCS耦合表面并且接收所述经聚焦的经依序滤波的EPCS光束并在所述EPCS耦合表面处将其耦合出所述近表面波导以形成经反射且经依序滤波的EPCS光束，所述经反射且经依序滤波的EPCS光束包含所述近表面波导针对至少第一及第二滤波器波长的至少第一及第二模式频谱；以及
c)EPCS检测器系统，所述EPCS检测器系统包含：
i)至少一个可切换偏振滤波器，所述至少一个可切换偏振滤波器被配置以依序执行所述经反射且经依序滤波的EPCS光束的横向磁性(transverse magnetic，TM)及横向电(transverse electric，TE)偏振滤波以形成至少第一及第二经TM及TE反射且经依序滤波的EPCS光束，所述至少第一及第二经TM及TE反射且经依序滤波的EPCS光束分别包含所述近表面波导在所述至少第一及第二波长下的第一及第二TM及TE模式频谱；以及
ii)至少第一及第二EPCS数字检测器，所述至少第一及第二EPCS数字检测器被配置以分别检测所述至少第一及第二经TM及TE反射且经依序滤波的EPCS光束以捕获所述近表面波导的所述第一及TM及TE模式频谱的相应的至少第一及第二TM及TE图像。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，其中所述至少第一及第二EPCS数字检测器沿着相应的至少第一及第二检测器轴线驻留，且其中所述至少一个可切换偏振滤波器包括分别沿着所述至少第一及第二检测器轴线配置且在所述第一及第二EPCS数字检测器中的对应一者上游的至少第一及第二可切换偏振滤波器。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，其中所述CS基板包含玻璃材料、玻璃陶瓷材料或结晶材料，且其中所述CS基板的近表面波导由近表面尖峰区及深部区限定。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，其中所述光导组件包含具有输出端的光导，所述EPCS检测器系统包含入射光瞳，且其中所述光导的输出端被成像至所述入射光瞳上。
本公开的一实施例是关于一种用于表征CS基板中的应力的系统，所述CS基板具有顶部表面及近表面波导，所述系统包含：在上文所描述及本文中所公开的EPCS系统；散射光偏振测定法(scattered light polarimetry，LSP)子系统，所述LSP子系统包含LSP光源系统、光学补偿器及LSP检测器系统，所述LSP检测器系统经由具有LSP耦合表面的LSP耦合棱镜与所述光学补偿器光学连通；耦合棱镜组件，所述耦合棱镜组件包含棱镜支撑框，所述棱镜支撑框被配置以可操作地支撑所述EPCS耦合棱镜及所述LSP耦合棱镜以使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面大体上驻留在共同平面中；以及支撑充气部，所述支撑充气部具有表面及测量孔，所述支撑充气部被配置以将所述CS基板支撑在所述测量孔处的测量平面处，且将所述耦合棱镜组件可操作地支撑在所述测量孔处以使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面大体上驻留在所述测量平面中。
本公开的另一实施例是关于用于表征CS基板中的应力的如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，所述CS基板具有表面及近表面波导，所述EPCS系统包含：
a)EPCS光源系统，所述EPCS光源系统包含：
i)EPCS光源，所述EPCS光源发射一包含多个波长的多波长EPCS光束；
ii)光导组件，所述光导组件将来自所述EPCS光源的所述多波长EPCS光束传送至聚焦光学系统，所述聚焦光学系统被配置成接收所述多波长EPCS光束且形成一经聚焦的多波长EPCS光束；
b)EPCS耦合棱镜，所述EPCS耦合棱镜与所述CS基板的所述表面形成EPCS耦合表面并且接收所述多波长EPCS光束并在所述EPCS耦合表面处将其耦合至所述近表面波导中及耦合出所述近表面波导以形成一经反射的多波长EPCS光束，所述经反射的多波长EPCS光束包含所述近表面波导针对所述多波长EPCS光束的对应多个波长的模式频谱；以及
c)EPCS检测器系统，所述EPCS检测器系统包含：
i)可切换偏振滤波器，所述可切换偏振滤波器经可操作地设置以接收所述经反射的多波长EPCS光束且依序形成经横向磁性偏振的(transverse magnetic polarized，TM)多波长EPCS光束及经横向电偏振的(transverse electric polarized，TE)多波长EPCS光束。
ii)一光学滤波器组件，所述光学滤波器组件经可操作地设置以在两个或两个以上滤波器波长下对所述TM及所述TE多波长EPCS光束进行依序滤波以形成两个或两个以上经依序滤波的TM及TE EPCS光束，所述两个或两个以上经依序滤波的TM及TE EPCS光束分别包含所述两个或两个以上滤波器波长的TM及TE模式频谱；
iii)一EPCS数字检测器，所述EPCS数字检测器被配置以依序检测所述经依序滤波的TM及TE EPCS光束以依序捕获所述近表面波导在所述两个或两个以上滤波器波长下的相应TM及TE模式频谱的TM及TE图像。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，其中所述CS基板包含玻璃材料、玻璃陶瓷材料或结晶材料，且其中所述CS基板的近表面波导由近表面尖峰区及深部区限定。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统，其中所述光导组件包含具有输出端的光导，所述EPCS检测器系统包含入射光瞳，且其中所述光导的输出端由聚焦光学系统成像至所述入射光瞳上。
本公开的一实施例是关于一种用于表征CS基板中的应力的系统，所述CS基板具有顶部表面及近表面波导，所述系统包含：如上文所描述及本文中所公开的EPCS系统；散射光偏振测定法(scattered light polarimetry，LSP)子系统，所述LSP子系统包含LSP光源系统、光学补偿器及LSP检测器系统，所述LSP检测器系统经由具有LSP耦合表面的LSP耦合棱镜与所述光学补偿器光学连通；耦合棱镜组件，所述耦合棱镜组件包含棱镜支撑框，所述棱镜支撑框被配置以可操作地支撑所述EPCS耦合棱镜及所述LSP耦合棱镜以使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面大体上驻留在共同平面中；以及支撑充气部，所述支撑充气部具有表面及测量孔，所述支撑充气部被配置以将所述CS基板支撑在所述测量孔处的测量平面处，且将所述耦合棱镜组件可操作地支撑在所述测量孔处以使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面大体上驻留在所述测量平面中。
本公开的另一实施例是关于一种执行倏逝棱镜耦合光谱术以表征CS基板中的应力的方法，所述CS基板具有表面及近表面波导，所述方法包含：
a)形成具有多个波长的多波长EPCS光束；
b)对所述EPCS多波长光束进行依序滤波以形成系列经滤波的EPCS光束，所述一系列经滤波的EPCS光束各自具有多个波长中的不同波长；
c)将所述一系列EPCS经滤波的光束穿过光导传送至聚焦光学系统以形成一系列经聚焦的EPCS经滤波的光束；
d)将所述一系列经聚焦的经滤波的EPCS光束引导至EPCS耦合棱镜，所述EPCS耦合棱镜与所述CS基板的所述表面形成EPCS耦合表面并且接收所述一系列经滤波的EPCS光束并在所述EPCS耦合表面处将其耦合至所述近表面波导中及耦合出所述近表面波导以形成一系列经反射且经滤波的EPCS光束，所述一系列经反射且经滤波的EPCS光束分别包含所述近表面波导在多个波长中的一者下的模式频谱；
e)对所述经反射且经滤波的EPCS光束中的每一者进行依序偏振以针对每一经反射且经滤波的EPCS光束形成经横向磁性(transverse magnetic，TM)滤波且经反射的EPCS光束及经横向电(transverse electric，TE)滤波且经反射的EPCS光束；以及
f)依序数字检测所述经TM滤波且经反射的EPCS光束及所述经TE滤波且经反射的EPCS光束以依序捕获所述近表面波导针对不同的多个波长的相应TM及TE模式频谱的TM及TE图像。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的方法，且进一步包含：处理相应TM及TE模式频谱的依序捕获的TM及TE图像以表征所述CS基板的至少一个应力相关性质。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的方法，其中所述依序滤波包含：使所述多波长光束穿过由过滤器轮支撑的光学滤波器组件。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的方法，其中每一光学滤波器组件包含光学滤波器及校正构件，所述校正构件被配置以校正基于波长的聚焦误差。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的方法，其中所述依序偏振包含：使所述经反射且经滤波的EPCS光束穿过带磁性的偏振晶体，所述偏振晶体可操作地连接至偏振控制器。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的方法，其中所述CS基板包含玻璃材料、玻璃陶瓷材料或结晶材料，且其中所述CS基板的近表面波导由近表面尖峰区及深部区限定。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的方法，其中依序数字检测所述经TM及TE滤波的且经反射的EPCS光束是使用单个EPCS数字检测器来执行。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的方法，其中依序数字检测所述经TM及TE滤波的且经反射的EPCS光束是使用多个EPCS数字检测器来执行，所述EPCS数字检测器使用双色镜在空间上分离。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及本文中所公开的方法，其中所述光导具有输出端，所述一系列经反射的经滤波的EPCS光束是由EPCS检测器系统接收并处理，所述EPCS检测器系统具有入射光瞳，且其中所述光导的输出端由聚焦光学系统成像至所述入射光瞳上。
本公开的另一实施例是关于一种用于表征CS基板中的应力的光散射偏振测定法(light-scattering polarimetry，LSP)系统，所述CS基板具有主体、表面及形成于所述主体内的近表面波导，所述LSP系统包含：
a)LSP光源系统，所述LSP光源系统沿着第一系统轴线按次序包含：
i)激光二极管，所述激光二极管发射LSP光束，所述LSP光束具有至少1微瓦的功率且以405纳米的波长为中心；
ii)快门系统，所述快门系统被配置成周期性地阻挡所述LSP光束；
iii)可旋转半波片；
iv)第一固定偏振器；
v)第一聚焦透镜；
vi)光漫射器；
vii)第二聚焦透镜
b)光学补偿器，所述光学补偿器配置在所述LPS光源下游且被配置以对所述LSP光束施加时变偏振，所述光学补偿器沿着所述系统轴线按次序包含：
i)偏振分束器，所述偏振分束器被配置成接收来自所述LSP光源的所述LSP光束且沿着所述第一系统轴线传输所述LSP光束的第一部分且沿着一光谱仪轴线引导所述LSP光束的第二部分；
ii)光谱仪，所述光谱仪沿着所述光谱仪轴线配置且被配置成接收所述LSP光束的所述第二部分并对其进行光谱处理；
iii)第二固定偏振器；
iv)可变偏振器，所述可变偏振器对所述LSP光束施加所述时变偏振以形成经时变偏振的LSP光束；
c)轴向可移动聚焦透镜，所述轴向可移动聚焦透镜配置在所述光学补偿器下游且被配置以接收并聚焦所述经时变偏振的LSP光束形成经聚焦的经时变偏振的LSP光束；
d)LSP耦合棱镜，所述LSP耦合棱镜与所述CS基板的表面交界以形成LSP耦合界面，其中所述经聚焦的经时变偏振的LSP光束聚焦于所述LSP耦合界面处以从所述CS基板的所述主体内的应力诱发特征产生散射光；
e)LSP检测器系统，所述LSP检测器系统配置在所述LSP耦合棱镜下游且被配置成接收所述散射光，所述LSP检测器系统包含：
i)LSP数字检测器；以及
ii)收集光学系统，所述收集光学系统收集所述散射光并将其引导至所述LSP数字检测器以在所述数字检测器处形成LSP图像。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及如本文中所公开的LSP系统，其中所述可变偏振器包含液晶可变延迟片(liquid crystal variable retarder，LCVR)，所述LCVR可操作地连接至偏振控制器。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及如本文中所公开的LSP系统，其中所述LCVR与温度控制器可操作地连通，所述温度控制器将所述LCVR维持在所选温度范围内。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及如本文中所公开的LSP系统，其中所述所选温度范围为35℃与40℃之间。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及如本文中所公开的LSP系统，其中所述轴向可移动聚焦透镜包含由透镜支撑件支撑的透镜元件且其中所述透镜支撑件机械附接至线性电机。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及如本文中所公开的LSP系统，其中所述LSP光束具有至少10微瓦的功率。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及如本文中所公开的LSP系统，其中所述LSP光束具有至少50微瓦的功率。
本公开的一实施例是关于一种用于表征CS基板中的应力的系统，所述CS基板具有顶部表面及近表面波导，所述系统包含：如上文所描述及如本文中所公开的LSP；倏逝棱镜耦合光谱术(evanescent prism coupling spectroscopy，EPCS)子系统，所述EPCS子系统包含经由具有EPCS耦合表面的EPCS耦合棱镜来光学连通的EPCS光源系统及EPCS检测器系统；一耦合棱镜组件，所述耦合棱镜组件包含棱镜支撑框，所述棱镜支撑框被配置以可操作地支撑所述EPCS耦合棱镜及所述LSP耦合棱镜以使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面大体上驻留在一共同平面中；以及支撑充气部，所述支撑充气部具有表面及测量孔，所述支撑充气部被配置以将所述CS基板支撑在所述测量孔处的测量平面处，且将所述耦合棱镜组件可操作地支撑在所述测量孔处以使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面大体上驻留在所述测量平面中。
本公开的另一实施例是一种执行光散射偏振测定法(light scatteringpolarimetry，LSP)以表征CS基板中的应力的方法，所述CS基板具有主体、表面及近表面波导，所述近表面波导在所述主体内形成应力相关特征，所述方法包含：从激光二极管产生光束，所述激光二极管具有至少1微瓦的输出功率及405nm的中心波长；将所述光束的第一部分引导至光谱仪以测量所述光束的波长及所述光束中的功率量；使用温控式液晶可变延迟片(liquid crystal variable retarder，LCVR)对所述光束的第二部分施加时变偏振以形成经时变偏振的光束；将所述经时变偏振的光束聚焦至由与所述CS基板的所述表面交界的耦合棱镜形成的耦合表面上以从所述CS基板的所述主体内的所述应力相关特征形成散射光；以及将所述散射光引导至数字检测器以在所述数字检测器处捕获LSP图像。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及如本文中所公开的方法，其中所述CS基板的所述主体由玻璃材料制成。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及如本文中所公开的方法，其进一步包含：将所述LCVR维持在处于35℃至40℃范围内的温度。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及如本文中所公开的方法，其中所述经时变偏振的光束沿循穿过所述CS基板的所述主体的光束路径，且进一步包含通过以下步骤估计所述光束的光束中心：针对沿着所述光束路径进入所述CS基板的所述主体中的所选深度对所述散射光执行倾斜高斯拟合以限定第一组光束中心；以及穿过所述第一组光束中心拟合第一线以限定第一拟合线。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及如本文中所公开的方法，其进一步包含通过以下步骤估计所述经时变偏振的光束的中心点：穿过第二组光束中心拟合第二线以限定第二拟合线；以及识别所述中心点，所述第一拟合线及所述第二拟合线在所述中心点处交叉。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及如本文中所公开的方法，其中所述经时变偏振的光束沿循穿过所述CS基板的所述主体的束路径，且进一步包含通过以下步骤确定所述经时变偏振的光束进入所述CS基板的入口点：沿着所述第一拟合线及所述第二拟合线中的一者识别所述LSP图像的边缘强度分布，其中边缘强度从最大值IMAX转变成表示背景强度值的最小值IMIN；以及确定介于所述最大强度值IMAX与所述最小强度值IMIN中间的半最大强度值I1/2及限定所述入口点处于所述半最大强度值I1/2。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及如本文中所公开的方法，其中所述LSP光束具有至少10微瓦的功率。
本公开的另一实施例是关于如上文所描述及如本文中所公开的方法，其中所述LSP光束具有至少50微瓦的功率。
额外的特征及优点将在以下详细描述中阐述，且将根据所述描述部分地对本领域技术人员显而易见或通过实践如所撰写的描述及其权利要求以及附图中所描述的实施例得到认可。应理解，前述大体描述及以下详细描述两者仅为示例的，且旨在提供综述或框架以便理解权利要求的本质及特性。
附图说明
包括附图以提供进一步理解，且附图并入本说明书中且构成本说明书的一部分。附图示出一个或多个实施例，且与具体实施方式一起解释各种实施例的原理及操作。因而，根据以下结合附图进行的详细描述，本公开将得到更全面地理解，在图式中：
图1A是呈平面薄板形式的示例透明CS基板的抬高视图。
图1B是示例透明CS基板的示例折射率分布n(z)与z的关系，其示出了近表面尖峰区(R1)、更深部区(R2)及团块区(R3)，而拐点(KN)位于区R1与区R2之间的转变处。
图2A是如本文中所公开的用于全面表征透明CS基板中的应力的混合EPCS-LSP测量系统的示意图。
图2B是图2A的混合EPCS-LSP系统的更详细示意图，其示出了EPCS测量子系统及LSP测量子系统的示例配置。
图3A是图2A的混合EPCS-LSP系统的示例EPCS子系统的示意图。
图3B是通过EPCS子系统获得的示例EPCS模式频谱的示意图，其中EPCS模式频谱包括具有TM模式线(条纹)的TM模式频谱及具有TE模式线(条纹)的TE模式频谱。
图4A、图4B及图4C是图2A的混合EPCS-LSP系统的示例LSP子系统的示意图。
图4D是在LSP子系统的数字检测器上形成的LSP图像的特写视图，其中LSP图像包括形成十字形或“X”图案的两个线图像，且其中LSP图像及数字检测器形成数字LSP图像。
图5A是用于支撑EPCS及LSP耦合棱镜的示例棱镜支撑结构的抬高视图。
图5B是安装在图5A的棱镜支撑结构上的盖板的抬高视图。
图6A及图6B是支撑在稳定平台上的EPCS及LSP耦合棱镜的侧视图，且示出形成用于耦合棱镜组件的单个模制棱镜支撑结构的示例方法。
图6C是示例耦合棱镜组件的侧视图，其中棱镜支撑结构被配置成使得EPCS及LSP耦合棱镜中的至少一者相对于另一者在一个方向(例如，如所示，z方向)上是可移动的。
图6D是示例混合EPCS-LSP测量系统的示意图，其中将单个耦合棱镜而不是两个分离的耦合棱镜用于EPCS子系统及LSP子系统。
图7是附接至混合系统的示例支撑充气部的示例棱镜支撑结构的横截面视图，且示出了用于调整CS基板上的测量位置的示例可移动基板固持器。
图8A是支撑充气部的抬高视图，其示出了测量孔及真空系统的压力真空(pressure-vacuum，PV)棒，所述PV棒可操作地设置在所述测量孔内以气动地接合CS基板以便将CS基板牵拉至EPCS及LSP耦合棱镜的耦合表面上。
图8B是支撑充气部及测量孔的特写横截面视图，其示出了耦合棱镜组件及真空系统的示例配置。
图9是如系统控制器所呈现的示例用户接口的示意性表示，其中用户接口包括展示EPCS模式频谱的EPCS区段及展示数字LSP图像的LSP线图像的LSP区段。
图10A是用户接口的LSP区段的示例，其展示了示例数字LSP图像及数字LSP图像的强度直方图。
图10B展示了示例初始或原始数字LSP图像以及经高斯模糊的(“模糊的”)LSP图像。
图10C展示了通过将大津阈值(Ostu thresholding)应用于图10B的经高斯模糊的图像所获得的示例阈值图像。
图10D及图10E展示了在示例经高斯模糊的LSP图像上执行轮廓检测的示例。
图11A是CS基板及经聚焦的LSP光束的方向的特写视图。
图11B是CS基板的边缘部分的特写视图，且展示了LSP检测器系统相对于经聚焦的LSP光束的视角。
图11C类似于图11B，且展示了到达LSP检测器系统且形成线图像的散射光束。
图11D展示了LSP检测器系统及CS基板与经聚焦的LSP光束的另一视图。
图11E是展示了用于确定CS基板厚度的尺寸及角度的示意图。
图12A是针对锁定法(蓝色)及正弦法(绿色)两者提取有噪声的LSP信号的相位所需要的以毫秒(millisecond，ms)为单位的平均计算时间T与噪声因子N的关系。
图12B是针对用于处理有噪声的LSP信号的锁定法(蓝色)及正弦法(绿色)的绝对相位差与噪声因子的关系的曲线图。
图13A及图13B是光学延迟OR(弧度)与进入CS基板的深度D(mm)的关系的曲线图(“OR与D的关系的曲线图”)，其中图13A展示了由LSP子系统在不使用斑点减少的情况下收集的OR数据，且图13展示了由LSP子系统使用斑点减少收集的OR数据。
图14A及图14B是OR与D的关系的曲线图，其示出使OR数据偏移以使弯曲点BP1及BP2关于CS基板的中平面对称的示例方法。
图15A是示例OR与D的关系的曲线图，其包括离散数据点(圆圈)及对OR与D关系的数据点的拟合线，其中拟合线是使用本文中公开的“LinQuad”法形成。
图15B是基于图15A的对OR与D的关系的数据点的LinQuad拟合的应力S(MPa)与深度D(mm)的关系的曲线图。
图16A是示例OR与D的关系的曲线图，其包括离散数据点(圆圈)及对OR与D的关系的数据点的拟合线，其中拟合线是使用本文中公开的功率尖峰法形成。
图16B是基于图16A的对OR与D的关系的数据点的功率尖峰拟合的应力S(MPa)与深度D(mm)的关系的曲线图(“S与D的关系的曲线图”)。
图17A及图17B是OR与D的关系的曲线图，其展示了初始(原始)OR与D的关系的数据点的LinQuad曲线拟合(图17A)及在对称分量被移除的情况下对OR与D的关系的数据的LinQuad曲线拟合(图17B)。
图18A及图18B是OR与D的关系的曲线图，其示出了在计算所选应力参数时使用减小的面积拟合区，其中图18A展示了在弯曲点BP1及BP2处的缩减面积拟合区以用于计算压缩深度DOC，且图18B展示了在弯曲点BP1及BP2之间的缩减面积拟合区以用于计算中心张力CT。
图19A是OR与D的关系的曲线图，且图19B是对应的S与D的关系的曲线图，其中曲线拟合是针对OR数据的整个集合进行。
图19C是OR与D的关系的曲线图，且图19D是对应的S与D的关系的曲线图，其中曲线拟合是针对OR数据的缩减集合进行，所述缩减集合不包括数据的靠近相对端点的部分。
图20类似于图3A且示出了EPCS子的实施例，其中检测器系统包括可调整聚焦透镜，其中可调整性包括轴向移动及改变焦距中的至少一者。
图21A及图21B是示例支撑构件的示意性说明，示例支撑构件用于形成用于EPCS子系统的聚焦透镜组件以提供用于调整所捕获的模式频谱的对比度的器件。
图22A及图22B类似于图3A且示出了采用光导组件的增强EPCS子系统的示例。
图22C是采用科勒照明的EPCS子系统相对于光导的输出端及EPCS检测器系统的入射光瞳的示例配置的特写示意图。
图23是EPCS子系统的远程光源的示例实施例的示意图。
图24A是在图23的远程光源系统的光学滤波器设备中采用的滤波器轮的前视图。
图24B展示了两个示例经依序滤波的EPCS光束，其中顶部示例是使用四个滤波器波长形成的且底部示例是使用两个滤波器波长形成的，所述滤波器波长是如使用图23的远程光源所形成的。
图25A至图25C示出了用于增强EPCS子系统的EPCS检测器系统的示例配置。
图26类似于图4A且示出了增强LSP子系统的示例。
图27A是可在图26的增强LSP子系统中实施的示例功率监测系统的示意图。
图27B是针对图27A的功率监测系统的光束的透射部分及反射部分的(归一化)光功率OP与偏振角(度)的关系的曲线图。
图28是针对轴向可移动聚焦透镜的中心张力CT(MPa)与透镜位置LP(mm)(相对于参考位置)的关系的的曲线图，其展示了CT随着透镜位置的变化且因此示出对经聚焦的LSP光束提供正确聚焦的重要性。
图29类似于图11B且展示了用于执行校准过程的LSP检测器系统相对于CS基板的测量参数。
图30A是针对CS基板中的所选深度的强度I(p)与沿着LSP光束在x方向上的像素位置p(x)的曲线图，且展示了对所测量强度的倾斜高斯拟合的示例，所述倾斜高斯拟合用于估计LSP光束的中心，如拟合曲线(实线)的峰值处的大黑点所指示的。
图30B是如与图30A相关联的方法所确定的峰值中心的像素位置p(x)及p(y)。
图30C是类似于图10C的示意图，其展示了LSP图像(强度分布)，其中两个重叠的拟合线(FL1及FL2)延伸穿过两个线图像区段的中心，其中两个拟合线的交点表示LSP图像的中心点。
图30D是沿着拟合线FL2及在入口点EP附近的LSP图像强度I(p)与像素位置p的关系的曲线图，且示出了具有最大强度IMAX、最小强度IMIN及半最大强度I1/2的示例边缘强度分布，半最大强度I1/2驻留在IMAX与IMIN中间且限定入口点ENP的定位(像素位置)，所述定位在示例曲线图中大约在像素32处。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的各种实施例，其示例在附图中示出。只要可能，相同或相似的附图标记或标号将贯穿附图用于指代相同或相似的零件。附图未必是按比例绘制的，且本领域技术人员将认识到附图在何处已被简化来示出本公开的关键方面。
如下文所阐述的权利要求并入此详细描述中且构成其部分。
为了进行参考，在附图中的一些附图中展示笛卡儿坐标，且笛卡儿坐标不旨在对方向或定向有限制。
在论述的一些部分中，z坐标用于进入基板的深度方向，而在论述的其他部分中，使用不同的坐标。
根据论述的上下文，缩写“IOX”代表“离子交换”或“经离子交换的”。
缩写“CS”在用于描述基板类型(如在“CS基板”中)时意指“化学强化的”。缩写CS还可意指“压缩应力”，且哪种含义用于此缩写将根据论述的上下文显而易见。
用于本文中所考虑的CS基板的术语“强化的”意指原始CS基板已经历某种工艺以产生可能具有多种形状的一些应力分布，通常旨在使CS基板更强且因此更难破裂。示例强化工艺包括离子交换、回火、退火等热工艺。
关于CS基板所使用的术语“透明的”意指在给定测量波长(即，EPCS波长λA或LSP波长λB)下具有足够的光学透射的CS基板，以对CS基板进行令人满意的测量(即，EPCS测量或LSP测量)，即所述测量得出与给定测量相关联的应力特性的足够准确的测量结果。
缩写“ms”代表“毫秒”。
缩写“nm”代表“纳米”。
术语“近表面”，诸如当指代CS基板的近表面波导或近表面尖峰区时，其指代基板主体的驻留在紧邻CS基板的给定表面(例如，顶部或测量表面)处的部分。
在示例中，玻璃基基板用于形成CS基板。如本文所使用的术语“玻璃基基板”包括整体或部分由玻璃(诸如玻璃及非玻璃材料的积层、玻璃及结晶材料的积层以及玻璃陶瓷(包括非晶相及晶相))制成的任何物件。因此，在示例中，玻璃基CS基板可完全由玻璃材料组成，而在另一示例中可完全由玻璃陶瓷材料组成。
术语“图像”及“线图像”在本文中用于描述由LSP子系统在数字检测器(CCD相机或CMOS传感器等)处由散射光形成的X形LSP图像的一部分的光分布(即，强度分布)，且成像系统并非形成如本文中所考虑的LSP图像所必需的。
在下文的论述中，LSP子系统被配置以在两个或两个以上偏振态(或仅简称为“偏振”)之间循环。在示例中，每个循环可存在最多八个不同的偏振态，所述偏振态组合了线性偏振、椭圆偏振及圆偏振，如此项技术中已知的。
如本文所使用的术语“应力”通常可意指压缩应力或拉伸应力。在图15B、图16B、图19B及图19D的曲线图中，压缩应力为负的而拉伸应力为正的。应力为压缩应力还是拉伸应力取决于所考虑的CS基板的位置或深度区。压缩应力的正值被理解为意指压缩应力的量。应力由S或由σ表示，且除非另外指出或根据论述的上下文另外理解，否则被视为指代压缩应力。在一些情况下，压缩应力被表示为CS，诸如针对拐点应力CSk。应力分布是因变于进入CS基板的深度的应力S，且深度坐标可为任何局部坐标，且在下文的论述中z及x两者均用作局部坐标。
在示例中，CS基板的“表征”包括确定CS基板的一个或多个基于应力的性质，诸如应力分布S(z)、层深度DOL、表面应力S(0)、压缩深度DOC、中心张力CT及双折射率分布B(z)。在示例中，表征利用分别提供第一应力特性及第二应力特性的EPCS及LSP测量两者，当第一应力特性及第二应力特性组合时提供CS基板的应力特性的“全面表征”，其中术语“全面表征”意指应力及应力相关性质的表征比在仅有EPCS测量的第一应力特性或仅有LSP测量的第二应力特性的情况下所可能的表征更完整。
缩写“OR”代表“光学延迟”，且除非另有说明，否则是以弧度(“rad”)为单位测量的。光学延迟与进入CS基板的深度的关系的曲线图在下文被称为“OR与D的关系”曲线或曲线图，其中D被理解为从顶部(测量)表面进入CS基板主体的深度。
术语“折射率匹配流体”意指具有与另一种材料基本上相同的折射率以促进光学耦合的流体。在示例中，折射率匹配流体包含油或油的混合物。折射率匹配流体的折射率由nf或noil表示，即，这两种表达在下文中可互换地使用。
术语“片”及“波片”在指代波片类型时可互换地使用(例如，半波片与半波波片相同，等等)。为避免混淆，当进行中的术语包括单词“波”时，术语“波片”在下文中被称为“片”。
术语“子系统”在方便的地方使用以与较大系统区分开，较小系统驻留在较大系统中。因此，为便于论述，可互换地使用术语“系统”及“子系统”。
CS基板
图1A是呈平面薄板形式的示例类型的CS基板10的抬高视图。CS基板10具有主体11、顶部表面12、底部表面14及侧面16。CS基板10具有厚度TH及介于顶部表面12与底部表面14中间且与其平行的中平面MP。
在一些情况下，厚度TH可在0.050mm≤TH≤2mm的范围内，诸如0.20mm≤TH≤2mm、0.25mm≤TH≤2mm、0.3mm≤TH≤2mm或0.3mm≤TH≤1mm及其端点之间形成的任何及所有子范围。
CS基板10的示例类型为玻璃基的，且用作用于诸如智能电话、平板计算机、膝上型计算机、GPS装置等移动装置的显示器和/或外壳的保护盖。此类CS基板10往往为薄的且平面的，诸如，如图1A所示。
CS基板10包括驻留在主体11中、靠近顶部表面12的近表面波导(near-surfacewaveguide，NSWG)18。在示例中，NSWG 18是使用IOX工艺形成且由具有变化的折射率的至少一个IOX区限定的。
图1B是示例NSWG 18的折射率n与进入CS基板的深度z的关系的曲线图。表面折射率表示为nS，而团块折射率(即，尚未被化学强化工艺影响的基板材料的折射率)表示为nB。
图1B的曲线图展示了示例折射率分布n(z)，其限定两个(IOX)区，即，第一近表面尖峰区R1及第二深部区R2。还存在比第二深部区深且在本文中被称为“团块”区的第三区R3，其具有折射率nB。近表面尖峰区R1在表面处具有最大折射率nS，并且折射率在相对小的深度z＝D1上随着深度(z)的快速减小直至值nk，深度z＝D1限定层的第一“尖峰”深度DOLsp。深部区R2具有从nk向下直至深度D2的折射率的较慢降低，深度D2限定层的总深度DOLT，第三团块区R3在此处开始。第一区R1及第二区R2在位于z＝zk处的拐点KN处相交(且因此限定拐点KN)，如上所述，在z＝zk处，折射率n＝nk并且与拐点(压缩)应力CSk相关联。
由于NSWG 18中的两个相异折射率区R1及R2，某些导引模式仅在最上部尖峰区R1中传播，而其他导引模式在区R1及R2两者中行进，而再其他的导引模式仅在深部区R2中行进。其他折射率分布n(z)包括折射率中更均匀的变化。深导引模式中的一些可延伸至团块区R3中。
图1B的折射率分布n(z)可由双IOX(DIOX)工艺形成，其中一个IOX工艺形成深部区R2，并且不同于第一IOX工艺的另一IOX工艺形成尖峰区R1。图1B的曲线图表示在含Li玻璃CS基板10中执行的DIOX工艺，其中在两个相异IOX工艺中用钾及钠离子交换Li离子，其中钾IOX工艺产生尖峰区R1。
混合EPCS-LSP系统
图2A是与示例CS基板10一起展示的如本文中所公开的混合EPCS-LSP测量系统(“混合系统”)20的示意图。混合系统20包括耦合棱镜组件40、EPCS测量子系统(“EPCS子系统”)100、LSP测量子系统(“LSP子系统”)200及系统控制器400。耦合棱镜组件40限定CS基板10上的测量位置ML。
EPCS子系统100产生EPCS测量信号SA，其表示CS基板在测量位置ML处的第一应力特性，如在NSWG 18的导引模式的模式频谱中所体现的。第一应力特性可包括以下中的一者或多者：表面压缩应力S(0)、层的总深度DOLT、层的尖峰深度DOLsp、拐点应力CSk及双折射率B。
LSP子系统200产生LSP测量信号SB，其表示CS基板在测量位置ML处的第二应力特性，如在光学延迟(optical retardation，OR)信息中所体现的，OR信息因变于进入CS基板(包括深部区R2)的深度。第二应力特性可包括以下中的一者或多者：应力分布、压缩深度DOC及中心张力CT。
在示例中，第一及第二应力特性的EPCS及LSP测量是在不移动测量位置ML的情况下进行的。在另一示例中，第一及第二应力特性的EPCS及LSP测量是通过以下步骤进行：平移耦合棱镜组件40，使得EPCS及LSP测量是在基板上的同一位置处进行的，而不是在如耦合棱镜组件的配置所限定的测量位置处在略微隔开的位置处进行。
在示例中，第一及第二应力特性的EPCS及LSP测量是在不从测量位置ML移除耦合棱镜组件40或CS基板10的情况下进行的。这表示优于先前技术的优点在于，EPCS及LSP测量两者可在单个系统中进行而不必移除或以其他方式处理CS基板以将其带至不同的测量系统。
EPCS测量信号SA及LSP测量信号SB被发送至系统控制器400以便处理。系统控制器400可包含例如微控制器、计算机、可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)等。在示例中，系统控制器400配置有体现在非瞬态计算机可读介质中的指令(例如，软件)以控制混合系统20的操作且执行用于基于EPCS测量信号SA及LSP测量信号SB来确定CS基板10的第一及第二应力特性的计算。
在示例中，系统控制器400处理EPCS测量信号SA及LSP测量信号SB以限定从CS基板10的顶部表面12至少直至深部区R2的底部的应力分布及相关应力特性。换言之，系统控制器组合从EPCS子系统100及LSP子系统200获得的第一及第二应力特性以产生比在仅有所述测量子系统中的一者的情况下所可能的CS基板的更完整或“全面”的应力分布。
耦合棱镜组件40包括由棱镜支撑结构46可操作地支撑的EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B。耦合棱镜组件40可操作地设置于CS基板10的顶部表面12上或靠近所述顶部表面12。在下文所论述的示例中，EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B可为单独的耦合棱镜或单个(共同)耦合棱镜的不同区段。
继续参考图2A，混合系统20包括具有尺寸L1及L2的示例外壳21。针对混合系统20的相对紧凑的实施例，L1及L2的示例尺寸在8英寸至12英寸的范围内。
EPCS子系统100包括经由EPCS耦合棱镜42A光学耦合的EPCS光源系统110及EPCS检测器系统140。LSP子系统200包括LSP光源系统210、光学补偿器230及经由LSP耦合棱镜42B光学耦合至所述光学补偿器的LSP检测器系统240。EPCS检测器系统140及LSP检测器系统240可操作地连接至系统控制器400。EPCS子系统100的示例描述于美国专利第9,534,981号中及美国专利第9,696,207号中，所述专利以引用的方式并入本文。LSP子系统200的示例描述于美国专利第4,655,589号中及美国临时专利申请序列第62/753,388号中，所述专利及所述申请案以引用的方式并入本文中。
图2B是图2A的混合EPCS-LSP系统的更详细示意图，其展示了EPCS子系统100及LSP子系统200的示例配置。图3A是示例EPCS子系统100的示意图。图4A至图4C是示例LSP子系统200的示意图。
EPCS子系统
参考图2B及图3A，EPCS子系统100的EPCS光源系统110包括EPCS光源112，其产生沿着第一轴线A1的处于第一波长λA的EPCS光束116。第一波长λA还可被称为EPCS波长。
EPCS光源系统110沿着第一轴线A1还包括：光学偏振器118、驻留在EPCS光源112下游的光漫射器122，及驻留在光漫射器下游的聚焦透镜120。在示例中，光源包含发光二极管(light-emitting diode，LED)，且进一步在示例中，LED在365nm的EPCS测量波长λA下操作。EPCS检测器系统140沿着第二轴线A2驻留且沿着第二轴线按次序包括：聚焦透镜142、以波长λA为中心的带通滤波器144、衰减器146、TM-TE偏振器148(其具有TM及TE区段(未图标))及数字检测器(例如，数字相机、图像传感器、CCD阵列等)150，数字检测器150具有如TM-TE偏振器148所限定的TM及TE区段(未图示)。
来自EPCS光源112的EPCS光束116由光漫射器122漫射且由聚焦透镜120聚焦以形成经聚焦的EPCS光束116F。经聚焦的EPCS光束116F在输入表面43A处入射于EPCS耦合棱镜42A上。这将经聚焦的EPCS光束在第一(EPCS)耦合界面INT1处耦合至NSWG 18中，第一(EPCS)耦合界面INT1由CS基板的顶部表面12及EPCS耦合棱镜42A的底部或“耦合”表面45A限定。第一耦合界面INT1可包括折射率匹配流体5A，如下文更详细地论述。
经反射的EPCS光束116R在第一EPCS耦合界面INT1处由经聚焦的EPCS光束116F形成且离开EPCS耦合棱镜42A的输出表面44A以沿着第二轴线A2行进。第一轴线A1及第二轴线A2驻留在共同平面(例如，图3A的x-z平面)中。经反射的EPCS光束116R包括关于NSWG 18的导引模式的模式频谱的信息。经反射的EPCS光束116R由EPCS检测器系统140中的聚焦透镜142聚焦以在EPCS数字检测器150处形成导引光的模式频谱的图像。
带通滤波器144确保仅经反射的EPCS光束116R能够到达EPCS数字检测器150。衰减器146确保经反射的EPCS光束116R具有适当的强度分布以便于高效数字检测。TM-TE偏振器148限定数位检测器的TM及TE区段以便EPCS数字检测器150可捕获TM及TE模式频谱。TM及TE模式频谱体现在第一检测器信号SA中，第一检测器信号SA被发送至系统控制器400以便处理。应注意，带通滤波器144、衰减器146及聚焦透镜142的次序不是关键的且旨在将其展示为在图2B与图3A之间不同以说明这一点。
图3B是如EPCS数字检测器150所捕获的理想化模式频谱160的示意性表示。展示局部(x,y)笛卡儿坐标以便参考。模式频谱160具有分别与TM及TE导引模式相关联的TM全内反射(total-internal-reflection，TIR)区段161TM及TE TIR区段161TE，以及分别与TM及TE辐射模式及漏失模式相关联的非TIR区段162TM及非TIR区段162TE。TIR区段161TM包括一个或多个TM“条纹”或TM模式线163TM，而TIR区段161TE包括一个或多个TE“条纹”或TE模式线163TE。TM模式线163TM及TE模式线163TE在x方向上大体对准且在y方向上隔开。
TIR区段161TM、161TE与非TIR区段162TM、162TE之间的转变区(“转变”)166TM及166TE限定了TM及TE偏振的进入及离开CS基板10的NSWG 18的光学耦合的临界角，且被称为临界角转变。临界角转变166TM及166TE的开始处的位置差异与拐点应力CSk成比例，且此比例在图3B中由“～CSk”指示。
根据EPCS子系统100的配置，TM模式线163TM及TE模式线163TE可为明线或暗线。在图3B中，为便于说明，将TM模式线163TM及TE模式线163TE展示为暗线。
用于EPCS测量的应力特性是基于模式频谱160中的TM模式线163TM及TE模式线163TE的y位置的差异来计算的。双折射率B是TM偏振及TE偏振的有效折射率之间的差异，其中有效折射率由模式线的y位置表示。表面压缩应力S(0)＝CS是由模式线(有效折射率)之间的y距离及比率B/SOC来计算，其中SOC是应力光学系数。需要至少两个TM模式线163TM及TE模式线163TE来计算表面应力S(0)。需要额外的模式线来计算压缩应力分布S(z)。层深度DOLT是进入CS基板10的主体11的应力穿透或离子穿透长度的测量，且在IOX工艺的情况下，还可由模式线163TM及163TE的y位置及数目来计算。沿着y轴的TM及TE模式线因此是用于推断CS基板10的应力相关特性的最基本测量。用于基于使用EPCS子系统100进行的EPCS测量来确定CS基板10的应力特性的计算是在系统控制器400中执行。
LSP子系统
现在参考图2B及图4A至图4C，LSP子系统200的LSP光源系统210包括LSP光源212，其产生沿着第三轴线A3的具有波长λB的LSP光束216。在示例中，LSP光源212被配置为在第二波长λB＝415nm下操作的激光二极管。第二波长λB还可被称为LSP波长。
LSP光源系统210沿着第三轴线A3按次序包括：可选的中性密度滤波器218(在图2B及图4A中展示)、第一聚焦透镜220、可移动光漫射器222，及第二聚焦透镜224。可移动光漫射器222可包含被配置以在波长λB下执行光漫射的全息元件。在示例中，可移动光漫射器可包含旋转光漫射器或振荡光漫射器。一个或多个折叠镜FM可用于折叠LSP子系统200以使其更紧凑。
光学补偿器230沿着(折叠的)第三轴线A3驻留且包含可呈偏振分束器PBS232形式的偏振器。光学补偿器230还包括半波片234H及三分之一波片234Q，其中所述波片中的一者可相对于另一者旋转以改变LSP光束216的偏振态。在示例中，光学补偿器230可包含电子控制式偏振调变器，诸如基于液晶的调变器或基于铁电液晶的调变器或类似的调变器。
在示例中，光学补偿器230可操作地连接至或以其他方式包括控制器(未图示)，所述控制器控制由光学补偿器执行的偏振切换操作。在示例中，光学补偿器230可包含单个液晶装置。在另一示例中，光学补偿器230可包含多个元件，诸如偏振器、波片、滤波器、棱镜(例如，楔形棱镜)等。在示例中，光学补偿器230致使LSP光束216在小于1秒至10秒的任何地方通过全偏振循环(即，在两个或两个以上所选偏振之间变化)。在示例中，光学补偿器230可被可操作地连接至系统控制器400且由系统控制器400控制。
第三聚焦透镜236驻留在光学补偿器230下游且用于形成被引导至LSP耦合棱镜42B的经聚焦的LSP光束216F。LSP耦合棱镜具有相应的输入表面43B及输出表面44B以及底部或“耦合”表面45B。CS基板10的耦合表面45B及顶部表面12限定第二(LSP)耦合界面IF2。在示例中第二耦合界面INT2包括折射率匹配流体5B，如下文所论述。
LSP检测器系统240沿着第四轴线A4驻留，第四轴线A4与第三轴线A3正交，即，第四轴线A4驻留在Y-Z平面中。
在示例中，LSP检测器系统240包括收集光学系统243及数字检测器(例如，CCD相机)246。在示例中，收集光学系统243是远心的且放大倍数为一。LSP检测器系统240还可包括以第二波长λB为中心的带通滤波器244。在图4C所示的示例中，数字检测器246包含成像像素247的阵列，成像像素247在示例中可具有在1.8微米与10微米之间的尺寸。
在LSP子系统200的操作中，经聚焦的LSP光束216F入射于LSP耦合棱镜42B的输入表面43B上，且行进至耦合表面45B，然后穿过折射率匹配流体5B且到达CS基板10的顶部表面12以进入CS基板的主体11。经聚焦的LSP光束216F在任何给定时间具有如光学补偿器230所限定的所选偏振。(偏振的)所输入经聚焦的LSP光束216F由CS基板10的主体11中的应力诱发特征散射以形成散射的LSP光束216S。散射的LSP光束216S在顶部表面12处离开CS基板10，返回穿过第二耦合界面INT2，然后在输出表面44B处离开LSP耦合棱镜42B。散射的LSP光束216S行进至LSP检测器系统240且由收集光学系统243引导至数字检测器246。散射的LSP光束216S在数字检测器246上形成LSP图像248，如图4D中的特写视图所示。这限定数位LSP图像。除非另外指出，否则如下文所论述的LSP图像248被视为数字LSP图像。LSP图像248的特性“X”形状是LSP技术中已知的且是由于散射的LSP光束216S从与LSP界面INT2相关联的不同界面的反射，如CS基板10、LSP耦合棱镜42B及折射率匹配流体5B所限定的。
如图4D所示，LSP图像248的X形状由两个交叉的线图像LI限定，所述线图像LI各自具有沿着其长度的局部长度坐标xL。每一线图像LI具有强度分布I(xL)，强度分布I(xL)是由与线图像重合的像素247测量的。数字检测器将强度分布I(xL)转换成被发送至系统控制器400的第二检测器信号SB。仅需要线图像LI中的一者来执行测量。在示例中，使用图像处理来识别LSP图像248的一部分以用于后续处理以提取光学延迟信息，如下文所解释。
在实施例中，使用LSP子系统200对CS基板10进行的给定测量包括：在介于1秒与10秒之间的测量时间tM内进行测量。在测量时间tM期间，LSP光束216的偏振态在不同的偏振态之间变化，优选地进行穿过偏振态的一个或多个循环。同时，针对每一偏振态，数字检测器246在曝光时间t E期间捕获LSP图像248。在示例中，曝光时间tE与数字检测器246的帧速率FR近似相同。示例曝光时间tE＝50ms，其对应于帧速率FR＝20帧/秒。曝光时间tE还可小于帧速率。
根据所输入经聚焦的LSP光束216F的偏振态及沿着光束路径引起的光学延迟，电子捕获的LSP图像248在其强度分布I(xL)上有所不同。差异是由于在不同偏振态之间沿着散射的LSP光束216S的长度的相消干涉及相长干涉的差异，其因变于进入CS基板10的深度D。针对不同偏振态的多个强度分布I(xL)之间的差异由系统控制器400用于使用本领域已知的关系来计算光学延迟OR，光学延迟OR因变于进入CS基板10的主体11的深度D。同样地，多个光学延迟曲线OR与D(“OR与D的关系的曲线图”)是使用强度分布I(xL)的差异来计算的。例如，对于3秒的测量时间tM与20帧/秒的图像传感器帧速率FR，可产生总计60个I(X L)与D曲线图来计算OR与D的关系且将其用于计算CS基板10的一个或多个应力相关特性。
虽然LSP图像248的强度分布I(xL)在输入光束112的偏振态之间必然不同，但是当有应力存在于CS基板10中时，根据所测量的强度分布计算出的不同OR与D的关系的曲线(曲线图)针对给定CS基板在CS基板的给定测量位置处理想地应当相同，其中应力分布(理想地)是恒定的。
虽然LSP测量技术可产生应力分布S(z)，但是它通常不产生在CS基板10的近表面区中的应力分布的准确表示。有至少两个问题效应对使用来自LSP子系统200的LSP测量结果提取CS基板10的近表面应力分布的准确表征提出挑战。一个问题效应被称为“火球”效应，其是由LSP界面INT2处的过量光散射造成的。过量光散射产生噪声，噪声会破坏近表面区的LSP测量数据，近表面区在示例中为在CS基板10的顶部表面12下方的前60微米至100微米。
另一问题效应是由从不同深度散射的光子向对应于特定深度的信号中的卷积造成的。此卷积在应力快速改变的区中显著地改变信号，所述区经常在近表面压缩区中，最经常在前80微米、100微米或150微米中，但有时高达200微米。快速改变区针对更大厚度的Li基玻璃更厚)。
一些先前技术的LSP系统尝试通过在靠近CS基板表面处使用极为聚焦的光束来减小此类卷积效应，其中光束直径小至10微米。不幸的是，这引起其他问题，诸如相同深度的感兴趣区中的增加的激光噪声(例如，斑点)，从而使近表面区中的所提取应力分布甚至更不可靠。
耦合棱镜组件
混合系统20利用前述的耦合棱镜组件40，其可操作地支撑EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B以在进行CS基板10的EPCS测量及LSP测量时为EPCS子系统100及LSP子系统200提供棱镜耦合。
图5A是示例耦合棱镜组件40的顶部部分的抬高视图，其展示了示例支撑框48。图5B是类似于图5A且另外包括盖板60的抬高视图。示例支撑框48包括支撑EPCS耦合棱镜42A的EPCS框区段48A及支撑LSP耦合棱镜42B的LSP框区段48B。支撑框48还包括设置于EPCS框区段48A与LSP框区段48B之间的隔离构件50，其被配置以光学隔离EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B。在示例中，隔离构件50还防止分别与EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B一起使用的折射率匹配流体5A及5B的混合。在另一示例中，隔离构件50允许单种折射率匹配流体与EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B两者一起使用，即，单种折射率匹配流体可在两个不同棱镜所限定的第一界面INT1及第二界面INT2之间流动。在一个示例中，隔离构件50与支撑框48分开且附接至支撑框48。在另一示例中，隔离构件50是支撑框48的一部分，即，在支撑框的形成期间与支撑框形成为一体。
在示例中，EPCS及LSP框区段48B及隔离构件50包括紧固凸片52，紧固凸片52包括安装孔53，安装孔53允许使用紧固构件(未图示)将盖板60紧固至框区段。盖板60包括经设定大小以容纳EPCS耦合棱镜42A的耦合表面45A的第一孔62A，及经设定大小以容纳LSP耦合棱镜42B的耦合表面45B的第二孔62B。
图6A及图6B示出示例方法，其中使用树脂模制工艺形成EPCS框区段48A及LSP框区段48B。所述工艺提供EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B的精密对准。在示例中，模制工艺在示例EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B在稳定平台75上位于适当位置的情况下执行。下文更详细地论述此工艺。
图7是示例棱镜支撑结构46的x-z横截面视图，示例棱镜支撑结构46是使用紧固凸片52及穿过安装孔53的紧固构件54(诸如螺钉)附接至混合系统20的示例支撑充气部70。支撑充气部70具有顶部表面71及测量孔72。顶部表面71限定测量孔72处的示例测量平面MP。棱镜支撑结构46由支撑充气部70支撑以使得EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B驻留在测量孔72处。在示例中，EPCS耦合棱镜42A的EPCS耦合表面45A及LSP耦合棱镜42B的LSP耦合表面45B驻留在或基本上驻留在测量平面MP处。
在示例中，CS基板10由可移动基板固持器80可操作地支撑，可移动基板固持器80将CS基板固持在测量孔72之上，以使得EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B可与CS基板10的顶部表面12交界以建立位于或大体上位于测量平面MP处的第一耦合界面INT1及第二耦合界面INT2。在示例中，使用诸如滚轮、轮、滑件、轴承等输送元件73在支撑充气部70的顶部表面71之上输送可移动基板固持器80。在示例中，CS基板10由可移动基板固持器80支撑在内部唇82处，内部唇82支撑CS基板的顶部表面12的外(周边)部分。在示例中，内部唇82的平面限定示例测量平面MP。因此，图7展示测量平面MP的两个不同的示例位置。
图8A是示出示例的俯视图，其中支撑充气部70呈包括压力真空(pressure-vacuum，PV)元件或PV管道90(例如，PV棒)的板的形式，PV元件或PV管道90用于气动地啮合CS基板10以经由真空(负压力)将CS基板牵拉至EPCS耦合棱镜42A的耦合表面45A及LSP耦合棱镜42B的耦合表面45B上且然后经由压力(正压力)从棱镜释放CS基板。图8B是图8A的支撑充气部及测量孔的横截面视图，其展示了包括PV元件(PV棒)90及真空源92的示例真空系统91。
请注意，可移动基板固持器80的内部唇82限定止动构件以用于在经由真空系统91向CS基板应用真空时限制CS基板10的垂直移动。
采用单种折射率匹配流体的混合系统
诸如图6D所示的混合系统20的示例实施例针对EPCS子系统100及LSP子系统200两者采用具有折射率nf的单种折射率匹配流体5。这是一种反直觉的方法，因为单种折射率匹配流体5通常将被视为至少由于以下原因而不能够同时针对两个子系统产生良好的测量结果。
若基于EPCS测量考虑来选择折射率匹配流体，则折射率匹配流体具有大体上高于CS基板的表面折射率nS(例如，高出0.1或更多)的折射率nf以促进光耦合至导引模式中且获得所捕获TM及TE模式频谱中的良好的条纹对比度。
另一方面，折射率匹配流体5及CS基板10的顶部表面12的折射率之间的这种等级的折射率对比(差异)Δn在耦合界面INT2处造成显著的表面散射，此是由于在于表面的微粗糙度相关联的折射率失配下的光束偏转。这对于基于接收并处理来自CS基板的散射光来准确提取在中等深度处的延迟及应力测量结果是有问题的。高度表面散射会在散射光束的图像上产生“火球”(例如，大亮点)，其中数字检测器(CCD相机)246的像素247被光子饱和。这导致损失大量应力相关信息。经良好抛光的表面或初始表面(诸如由熔融拉制形成)往往具有更少的散射。
若折射率匹配流体nf近似匹配于(例如，类似于，略高于，或略低于)CS基板10的表面折射率nS以确保低的表面散射，则当靠近表面处(例如，诸如尖峰区R1(参见图1B))存在折射率的急剧变化(由如IOX工艺所产生的K2O浓度的浅的集中式尖峰造成)时，模式频谱160中的条纹对比度经常为不良的。此外，TM条纹163TM及TE条纹163TE的位置及对比度变得取决于折射率匹配流体的厚度。此类两种效应使得很难使用EPCS子系统100准确地测量表面CS及尖峰DOL。
若折射率匹配流体5被选择为具有低于CS基板10的基板(整体)折射率nB(其还经常意指低于表面折射率)的折射率nf，则折射率匹配流体的厚度必须很小(例如，小于0.4微米)以实现至NSWG 18的近表面部分(尖峰区R1)的波导模式中的光耦合以用于表面CS测量。测量在介于表面尖峰区R1与团块区R3之间的深部区R2中行进的耦合光的临界角还需要小厚度。由于小颗粒污染的问题，这难以始终一致地在生产环境中达成。此类问题对准确地测量双IOX含Li玻璃及玻璃陶瓷的表面(压缩)应力S(0)及在表面折射率尖峰区R1的底部处的“拐点应力”Sk造成问题。
结果是，用于EPCS及LSP测量两者的单种折射率匹配流体5可在所选条件下使用，其中CS基板10的尖峰区R1具有归一化斜率Sn＝|(λ/n)dn(z)/dz|<0.0005，或更优选地Sn<0.0004，其中λ是测量波长且n(z)是CS基板10在测量波长下的折射率。
在一个实施例中，折射率nf比CS基板10玻璃的表面折射率nS高(大)在0.02至0.06范围内的量Δn＝nf–n的折射率匹配流体5被发现针对EPCS及LSP测量两者产生足够的测量结果。当Δn＝nf–n时，优选的是Δn在上述范围的高端中，例如，0.05至0.06。
在本发明的一个方面中，减小EPCS测量的测量波长λA以减小归一化斜率Sn以便更容易满足上述条件。在一个示例中，EPCS测量的测量波长λA比LSP测量的测量波长λB短5％或更多以帮助达成更小的归一化斜率Sn。在示例中，一个或多个光块(未图示)可选择性地定位在EPCS子系统100的光束路径上以优先阻挡以更大的入射角传播的光线，更大的入射角对应于更高的有效折射率。这提高了NSWG 18的近表面尖峰区R1的导引模式的所捕获TM及TE条纹的对比度。
在另一实施例中，表面尖峰区R1可具有归一化斜率Sn>0.0005。在示例中，折射率匹配流体可被选成在EPCS测量波长λB下具有折射率nf，折射率nf非常接近在拐点KN处的z位置zk处(即，在尖峰区R1的底部处)的有效折射率。在此情况下，nf≈ncrit，其中ncrit为与尖峰区的临界角(即，在所述临界角之下，光不会作为导波在尖峰区R1内行进)相关联的折射率。
在许多有实践意义的情况下，在对应于表面尖峰区R1的底部的位置处在TM导波与TE导波之间的有效折射率差异相对小。例如，在大多数有实践意义的情况下，所述差异小于0.0006折射率单位(refractive-index unit，RIU)，且最经常地介于0.00015RIU与0.0005RIU之间。在示例中，
在一些示例中，规定nf≈ncrit就够了，这意指和/或更具体而言，nf不会大体上小于TM及TE临界折射率中的较小者，且还将不显著大于TM及TE临界折射率中的最大者。因此，在示例中(且以数学方式表达上述情况)：
紧接在上方的方程式中的上限经限定以减小遗漏与尖峰区R1相关联的条纹的可能性，此是通过使nf大于当折射率匹配流体不存在时所述条纹的有效折射率。因此，为了实现对所有模式的正确考虑以便准确地计算表面尖峰区R1(其在示例中由钾IOX工艺限定)的深度，优选的是，nf不显著大于TM及TE临界折射率中的较大者，但是理想地还不显著大于两个临界折射率中的较小者。
在一个实施例中，当特定偏振态(TM或TE)中的最后一个条纹的有效折射率与对应的临界折射率(或)之间存在显著的有效折射率差异时，与尖峰区R1相关联的TM及TE模式频谱中的模式条纹在折射率空间中相隔较远，例如，相隔超过0.0015RIU，或优选地相隔超过0.002RIU，或甚至更优选地相隔超过0.0025RIU。在此实施例中，折射率匹配流体的折射率noil可被选择为更接近两个临界折射率中的较高者，且可能高于两个临界折射率中的较大者：
或
有效折射率的此类差异容易使用EPCS子系统100通过测量临界角(其对应于传感器上从明亮的全内反射至黑暗的(部分反射)的强度转变166TM及166TE)的位置和/或条纹位置的差异来建立，且考虑到仪器的校准(每RIU的角度，或每RIU的像素，或每RIU的传感器平面上的点间距)。
在具有更一般的应用的另一实施例中，折射率匹配流体的折射率noil被选择为更接近TM及TE有效折射率中的较低者。这使得能够捕获有效折射率可能接近临界折射率的TM及TE条纹，但是可能需要EPCS耦合棱镜42A的耦合表面45A与CS基板10的顶部表面12之间的相对紧密的接近度(例如，几个波长)。
更具体而言，在此实施例中优选的是
或
此外，为了减小临界角转变的形状的显著变化，可能优选的是
或甚至
在一些有实践意义的情况下，具有最低有效折射率的导引模式具有其很接近临界折射率(在约0.0002RIU内)的有效折射率。在此情况下，可能理想的是还对将根据上述情况受到限制的折射率匹配流体的折射率强加更严格的要求：
在noil小于两个临界折射率中的至少一者的情况下，获得高对比度度转变以用于正确测量临界折射率ncrit可能需要EPCS耦合棱镜42A的耦合表面45A与CS基板10的顶部表面12之间的前述紧密的接近度(例如，几个波长)。在示例中，此紧密的接近度是通过使用真空系统来实现，真空系统经由气动地连接至真空源92的PV管道90朝向棱镜吸引试样。
在另一实施例中，当折射率匹配流体的折射率noil并非显著不同于用于计算表面压缩应力CS的导引光学模式的有效折射率时，对表面压缩应力S(0)＝CS的计算中的系统误差进行校正。特定而言，在以下情况下优选可利用此种校正：
在一个示例实施例中，校正是通过校准系统误差来规定，例如，通过对使用优选的发明性两用折射率匹配流体所测量的表面压缩应力CS与通过使用更常规的折射率匹配流体所测量的CS进行比较，更常规的折射率匹配流体具有相对大的折射率noil，诸如用于测量具有在1.45至1.55范围内的整体折射率nB的CS基板10的在λA＝590nm下具有noil＝1.72的油。
在相关实施例中，还可针对TM条纹163TM及TE条纹163TE的宽度校准系统误差，因为所述宽度可与折射率匹配流体相关联，且同时与表面压缩应力CS的测量中的系统误差的量相关联。应注意，系统误差还将取决于CS基板10的表面尖峰区R1的折射率分布的折射率斜率Sn。这意指系统误差可针对具有落在相对窄范围内的表面折射率Sn的特定类型的CS基板来限定。此种窄范围通常是针对采用已使用IOX工艺来强化的Li基玻璃的CS基板。
采用两种不同折射率匹配流体的混合系统
混合系统20的示例实施例分别针对EPCS子系统100及LSP子系统200采用两种不同的折射率匹配流体5(表示为5A及5B)，其中两种不同的折射率匹配流体5A及5B具有相应的折射率nfA及nfB(或者noil-A及noil-B)。
采用两种不同的折射率匹配流体5A及5B需要保持两种折射率匹配流体为分离的，以使得它们不会彼此混合。在上文结合图5A及图5B所论述的一个示例中，棱镜支撑结构46包括设置于EPCS耦合棱镜42A与LSP耦合棱镜42B之间的隔离构件50以保持两种折射率匹配流体5A及5B为分离的，即，彼此流体隔离。
在另一实施例中，将加压气体(例如，空气)引入至EPCS耦合棱镜42A与LSP耦合棱镜42B之间的小间隙中以限定“空气幕”3(参见图2B)，“空气幕”30确保在CS基板10在混合系统20中被测量时，折射率匹配流体5A及5B不会彼此相互作用。此分离于是将使得相应的折射率匹配流体5A及5B能够同时自动滴落至其相应的EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B上，从而允许同时测量。在示例中，空气幕30可使用真空系统91(参见图8B)来形成。
具有减少的串扰的混合系统
考虑到EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B的接近度，可能发生EPCS子系统100与LSP子系统200之间的串扰。此种串扰可减小每一子系统的应力测量结果的准确度。下文所描述的用于减少(包括消除)串扰的各种实施例可单独地或组合地使用。
在一个示例中，用于EPCS子系统100的EPCS检测器系统140包括以EPCS测量波长λA为中心的前述带通滤波器144。同时，用于LSP子系统200的LSP检测器系统240包括以LSP测量波长λB为中心的前述带通滤波器244。在示例中，带通滤波器144及244的相应带宽足够窄以大体上滤去其他子系统测量波长。因为可使带通滤波器很窄(例如，几纳米)，所以测量波长的仅仅小差异(例如，10nm)就将足以使用带通滤波器来减少或消除串扰。在示例中，给定的带通滤波器可插入于对应的耦合棱镜与检测器系统之间的任何地方。
在另一实施例中，对EPCS测量波长λA及LSP测量波长λB光学不透明的障壁设置于EPCS耦合棱镜42A与LSP耦合棱镜42B之间。在示例中，障壁呈隔离构件50的形式，如上文结合图5A所论述的。隔离构件50可由诸如铝的刚性材料或诸如橡胶的非刚性材料形成，只要其能够阻止EPCS及LSP测量光在EPCS耦合棱镜与LSP耦合棱镜之间连通即可。如上所述，隔离构件50还可被配置以服务于光学隔离及流体隔离的双重目的。
耦合棱镜对准
当EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B相对于彼此对准且其耦合表面45A及45B驻留在共同平面中时，混合系统20提供最准确的测量。
为了达成此种对准，耦合棱镜组件40采用所使用的前述棱镜支撑结构46。在形成棱镜支撑结构46的示例中，首先将EPCS耦合棱镜42A的耦合表面45A及LSP耦合棱镜42B的耦合表面45B研磨及抛光成高平坦度及垂直度。再次参考图6A，然后将EPCS耦合表面45A及LSP耦合表面45B置放于稳定平台75(诸如精密平坦的花岗岩条)上，其中耦合表面45A及45B驻留在稳定平台的表面76上。
参考图6B，将模具49安装在稳定平台75上的表面76处，且然后将树脂49R浇注至模具中。在树脂硬化后，移除模具49的壁以限定耦合棱镜组件40的棱镜支撑结构46，诸如图5B所示。在示例中，模制的棱镜支撑结构46包括在EPCS耦合棱镜42A与LSP耦合棱镜42B之间的呈薄壁47形式的隔离构件50，如图6C所示。在示例中，模制的棱镜支撑结构46形成为使得棱镜中的至少一者经部分地包覆以避免串扰。在示例中，模制的棱镜支撑结构46包含单个模制结构或由单个模制结构组成，即，是由单种材料形成的单件(即，件单体)，且因此并非通过接合两个或两个以上组件形成的。
在示例中，模制的棱镜支撑结构46包括紧固凸片52，紧固凸片52包括安装孔53以用于将棱镜支撑结构46紧固至充气部(还参见图5A)。如图7所示且如上文所描述的可移动基板监测器80的使用使得能够在CS基板10上的同一位置处进行EPCS及LSP测量。可在系统控制器400的操作下通过使用精密线性电机(例如，压电致动器)来移动可移动基板监测器80以设定EPCS子系统100及LSP子系统200的测量位置。
在示例中，棱镜支撑结构46包括可相对于彼此移动的区段，以使得EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B可相对于彼此移动(例如,轴向或z方向，如图6C所示)。在示例中，棱镜支撑结构的支撑框48包括相邻的壁，所述壁被配置以使得一个壁可相对于另一个以受到控制的方式滑动。在图6C的示例中，EPCS耦合棱镜42A被展示为已相对于LSP耦合棱镜42B在z方向上移动。
图6D类似于图4C，且示出混合系统20的实施例，其中EPCS子系统100及LSP子系统200共享共同耦合棱镜42，即，共同耦合棱镜42充当EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B两者。还使用单种折射率匹配流体5。共同耦合棱镜42的各个表面具有双重目的，例如，耦合表面被表示为45A及45B，因为其服务于执行EPCS耦合及LSP耦合的双重目的。在示例中，EPCS子系统100及LSP子系统200的带通滤波器144及244与不同波长λA及λB(例如，在波长上至少相隔带通滤波器144及244中的一者的带宽)一起使用以大体上减少或消除子系统之间的串扰。在共同耦合棱镜42的示例中，耦合棱镜具有ECSP区段PS1及LSP区段PS2，且进一步在此示例中，所述区段可为单独的，即，EPCS光束116及LSP光束216通常停留在其相应的区段中，少量散射光除外。
减少基板翘曲
CS基板10可足够大以致于它可能翘曲达到进行准确的EPCS及LSP应力测量变得有问题的程度。特定而言，翘曲的CS基板10可使得难以建立进行EPCS及LSP应力测量所需要的EPCS耦合界面INT1及LSP耦合界面INT2。
再次参考图8A及图8B，真空系统91用于减少或消除基板翘曲。PV管道(PV棒)90穿过支撑充气部70中的测量孔72与CS基板10的顶部表面12气动连通，支撑充气部70支撑CS基板以使得顶部表面12大体上驻留在测量平面MP处。真空源92的启动经由PV管道90在耦合棱镜组件40附近产生减小的压力，从而由周围高压力在CS基板上产生向下的力FD，如两个大箭头所示。PV管道90使得相对于支撑充气部70的顶部表面71(且因此，相对于测量平面MP)对CS基板的高度控制在±5微米的准确度内。真空系统91的使用还减少振动且实现对CS基板的非接触式控制以用于动态处理及检验而不需要使CS基板在真空吸盘上稳定。
PV管道90是可商购的且可被配置以用于减少翘曲，如图8A及图8B所示。可能需要省略靠近耦合棱镜组件40的一些PV管道90以避免干扰EPCS光束116及LSP光束216以及EPCS子系统100及LSP子系统200的紧接在支撑充气部70下方的各种组件。在示例中，一个或多个止动构件94可用于将CS基板10在支撑充气部70上固持在适当位置。
在一些情况下，可能希望EPCS耦合棱镜42A及LSP耦合棱镜42B中的至少一者能够根据另一者来调整。在此情况下，耦合棱镜组件40可包含两个单独的棱镜支撑结构46，其中一者或两者是可调整的。在一个示例中，EPCS耦合棱镜42A可在z方向上调整以优化模式频谱中的TM及TE模式条纹的对比度。这可通过使用附接至棱镜支撑结构46的单轴线微定位器来实现，单轴线微定位器将EPCS耦合棱镜固持在可移动配置中。
处理EPCS及LSP测量结果
图9是混合系统20的系统控制器400所显示的示例用户接口410的示意图。用户接口410包括展示了由EPCS子系统100产生的模式频谱160的EPCS区段412A及展示了由LSP子系统200产生的数字LSP图像248D的LSP区段412B。系统控制器400中的软件被配置以：使用来自EPCS子系统100的EPCS测量结果(即，模式频谱160)计算CS基板的第一应力特性，且使用来自LSP子系统200的LSP测量结果(即，数字LSP图像248D)计算CS基板的第二应力特性，然后组合所述测量结果以产生CS基板的完整或全面应力表征。
处理LSP测量结果
在示例中，系统控制器400被配置(例如，配置有软件)以处理LSP图像248以提取从LSP子系统200获得的“第二”或LSP应力特性。这包括使用作为轮廓检测方法的一部分执行的高斯模糊大津阈值来数字表征LSP图像248的轮廓，以促进光学延迟与深度(OR与D)的关系的计算。
图10A是如用户接口410的LSP区段412B所示的LSP图像248的示例表示。通过数字检测器246对LSP图像248的检测形成了数字LSP图像248D，数字LSP图像248D可被称为原始LSP图像或原始数字LSP图像。用户接口的LSP区段412B还展示了构成数字LSP图像248D的散射光强度的直方图以及一些相关的统计测量结果。在此示例视图中，进入CS基板的主要光束入射是从十字形的右下角至中心。从十字形的中心至右上角，数字相机观察到从光束的侧面的CS基板的空气表面的反射(参见以下的图11C)，所述反射是由于全内反射。从十字形的中心至左下角，直接光束已从CS基板空气表面被反射且向后穿过CS基板的厚度朝向LSP耦合棱镜行进。从中心至左上角，数字相机观察到反射光束的反射。
数字LSP图像248D主要包含很亮的像素及几乎没有或没有曝光的像素。参考图10B，作为轮廓检测方法的一部分，对初始(原始)数字LSP图像248D(左侧图像)应用高斯模糊以减少任何残余噪声。结果为模糊的LSP图像248B(右侧图像)。高斯模糊以不会使光学延迟信息模糊的方式应用，光学延迟信息编码于数字LSP图像248D的强度变化中。
现在参考图10C，对图10B的(高斯)模糊的LSP图像248B应用大津阈值以获得临限LSP图像248T。大津阈值机制使用图像直方图(参见图10A)来选择强度值，在所述强度值之下，将所有像素设定为零。图10C中的明亮区段表示强度高于所述临限值的所有像素。
图10D展示下一个处理步骤，其涉及使用临限LSP图像248T来使用二元化方法限定LSP图像轮廓248C，诸如通过应用已知的开放原始码二元化算法，诸如可从开放原始码图像处理算法获得的(例如，经由OpenCV)。示例使用在左上角具有0.0且在向右的(x)方向及向下的(y)方向上具有增大的值的图像坐标系统。LSP图像轮廓248C包含点的阵列，其可分成象限以找到十字形图像的以下五个临界点：左上角、右上角、左下角、右下角及中心。图10D的特写图展示找到所述区域中的最低X值及最高Y值获得的左下角点检测的示例。针对所有四个角重复相同的过程，且通过对角X及Y值求平均来确定中心。
图10E展示了具有全面限定的轮廓及已处理区域的最终LSP图像轮廓248C。在示例中，已处理的“X”LSP图像轮廓248C的右下段(参见梯形区域)然后用于计算LSP应力特性。图10E中的LSP图像轮廓248C中的水平线处于恒定的深度。在对光源的偏振进行调变时，获取的图像中的每一者在水平线上的强度(例如，总和、峰值或平均值)高斯模糊以用作后续分析的输入以获得OR与D的关系数据。
因此，阈值LSP图像248T及LSP图像轮廓248C用于限定“屏蔽”，所述“屏蔽”识别所捕获或高斯模糊的LSP图像248B的将要用于计算光学延迟OR的一部分或多个部分，光学延迟OR因变于进入CS基板10的深度(D)，如上文所解释。
CS基板厚度提取及光束角计算
图11A是CS基板10的视图。图11A还展示了在穿过LSP耦合棱镜42B(未图示)之后的经聚焦的LSP光束216F的在CS基板10的主体11内部的一部分的光束路径。图11B是展示CS基板10的边缘部分(作为用于计算CS基板厚度TH的感兴趣区域)的特写视图。图11C至图11E是经聚焦的LSP光束216F在CS基板内的路径的额外视图。为便于说明，未展示LSP耦合棱镜42B。
通过沿着经聚焦的LSP光束216F的传播方向观察CS基板10的边缘，可突显LSP检测器系统240的数字检测器246所看到的CS基板10的厚度，如图11B所示。因为数字检测器246正在观察穿过成角度的LSP耦合棱镜42B(例如，成45°角)的经聚焦的LSP光束216F，所以可将CS基板10的厚度TH计算为
TH＝x/{Cos(45°)
其中x表示在数字检测器246的平面中的路径长度。
一旦计算出厚度TH，就可通过以下步骤确定经聚焦的LSP光束216F在CS基板内的传播角A(参见图11E)：沿着数字检测器246的方向观察CS基板10的边缘，及使用图11E的示意图来使用下式确定传播角A：
A＝ArcTan(W/TH)
其中W是从上述轮廓检测方法获得的LSP图像轮廓248C的中心交叉点C与图像轮廓的右下角(lower right，LR)临界点之间的水平距离。一旦选择了已处理区域，数字检测器246就记录因变于输入偏振的若干LSP图像248。然后使用本领域已知的技术来提取因变于进入CS基板的深度的光学延迟信息。
锁定检测方法
锁定检测方法是一种已经证实很擅长于快速检取由噪声模糊的信号的信号分析技术。为了使此方法起作用，必须已知信号的周期。
来自LSP子系统200的测量(检测器)信号SB具有取决于光学补偿器230的偏振旋转速率的周期。当光学补偿器230中使用旋转半波片234RH时，一次全旋转对应于散射的LSP光束216S的偏振态的四次振荡。
应用于LSP测量信号SB＝s(t)的锁定法的推导如下，其中t为时间。认为LSP测量信号s(t)以零为中心且具有噪声量(“噪声因子”)N。系统控制器400接收到的测量数据D(t)可表示为：
D(t)＝s(t)+N
测量信号s(t)可一般化为以下形式
其中为要提取的相位值且f为信号的已知频率。可通过将此信号乘以具有相等且负的周期(及任意相位)W(t)＝cos(-f–θ)的通用测试波来将其“锁定”以得出以下等式：
紧接在上方的用于D(t)*W(t)的等式的前两项根据时间变量t振荡。然而，最后一项是可经由乘积波的强低通滤波来提取的常数。因为波的平均值在多次振荡内接近所述波的偏移值，所以此是通过对乘积波求平均来达成。
若测量信号s(t)没有许多振荡(例如，少于一个全振荡)或者若信号具有非整数个半周期，则此近似引起微量误差。可通过仅采取在信号的最大量的半周期内的信号平均值来减小此误差。例如，若信号具有约3.7次振荡，则采取最多3.5个周期的信号平均值。
一旦使用已知的手段执行低通滤波，就将乘积D(t)*W(t)简化成常数项回想起为所需的相位值，且θ为测试波的任意相位。因此，若θ递增通过一系列数字，则针对每次递增由乘积波的低通滤波产生的常数将根据非时变余弦函数振荡。此余弦波具有波数-1、振幅A/2及相位已知此情况，可将余弦拟合本文中等常数(例如，使用最小平方拟合)，且可提取相位还可提取信号的振幅A。
用于信号提取的锁定法已经证实比常规正弦拟合快得多。图12A是针对锁定法(L或黑色曲线)及正弦法(S或灰色曲线)两者的提取有噪声的信号的相位所需要的以毫秒(millisecond，ms)为单位的平均计算时间T与噪声因子N。图12A的数据是在一系列测试内收集的。在此类测试中，将随机噪声添加至设定信号，在所述设定信号上使用正弦拟合及锁定检测方法两者以提取相位。在每一噪声级处，用随机化噪声执行100次测试。锁定法执行计算的时间为正弦拟合法所需时间的近似一半。
图12B是针对锁定法(L或黑色曲线)及正弦法(S或灰色曲线)的绝对相位差与噪声因子N的曲线图。图12B展示两种方法在所有测试内均保持在近似相同等级的准确度及精度。
锁定法去除了预测用于拟合的正弦参数的必要。唯一执行的拟合为余弦波至低通滤波常数的拟合，所述拟合受约束的程度如此高以致于它几乎从不产生不良的拟合。然而，若使用正弦拟合，则已发现它在拟合于数据的正弦波具有恒定周期时执行准确度高得多。若周期可与其他参数一起被拟合，则处理时间更长且结果经常没那么准确。
LSP测量结果中的噪声减少
使用来自LSP子系统200的LSP测量结果提取第二应力特性由两个主要部分组成：数据采集部分及数据分析部分。在测量结果的数据采集部分中，根据来自LSP光源212的初始LSP光束216的输入偏振态对散射的LSP光束216S成像。成像是通过在数字检测器246处记录来自CS基板10的主体内由一个或多个IOX工艺引起的应力诱发特征(例如，折射率变化)的散射光的强度来达成。
由系统控制器400处理所记录的LSP图像248以提取沿着激光束的强度，针对输入偏振对所述强度进行分析以提取光束的两个正交的状态之间的光学延迟量。通过对观察到的延迟建模来重建应力分布。因此，LSP测量应力分布的质量从根本上受到成像过程中的噪声限制，所述噪声通常以基于激光的噪声为主。此种基于激光的噪声的一个示例为斑点，斑点源自于LSP光源212的高度相干性，以及光学表面中的缺陷(粗糙度、平坦度等)及光学元件的体积性质(杂质、密度均匀性及不均匀性等)。
在LSP光束216传播穿过LSP子系统200期间，LSP光(激光)束216与系统缺陷的相互作用导致光束波前内的随机振幅及相位变化。当通过瑞利散射对LSP光束216进行同调成像时，波前失真引起图像平面中的静态干涉图案(称为斑点图案)，其通过重叠在所需信号上的具有高空间频率的大的强度变化来表征。从所需信号的强度偏差被视为LSP测量结果中的噪声。为了减小激光斑点的影响，可通过光束波前中的偏振、振幅或相位的调变在独立的斑点图案内对成像求平均。
在一个实施例中，通过使初始LSP光(激光)束216穿过可移动光漫射器222，在LSP子系统200中减少基于激光的噪声，可移动光漫射器222在示例中可包含全息漫射器。这根据漫射器的局部结构“搅动”漫射角内的光束射线。为了使此“射线搅动”造成的光束发散最小化，将可移动光漫射器222置放于开普勒望远镜配置的图像平面中，如图4A的示例配置所示。LSP光束216首先由第一聚焦透镜220聚焦至可移动光漫射器222上，且透射光束由第二聚焦透镜224重新准直。
减轻LSP光束216在经历光漫射之后的发散会在CS基板处提供更高效的(即，像差更小的)经聚焦的LSP光束216F。使用可移动光漫射器222，在自旋漫射器的旋转速度νD下产生数字检测器246处的基于激光的噪声(例如，斑点图案)的变化。噪声平均的最大效果在νDτC>1的条件下达成，其中τC系数位检测器246的曝光时间。此条件还消除成像中的潜在消隐，所述潜在消隐是由跨可移动光漫射器222的光学透射变化造成。实施基于漫射器的噪声减少改良了光学延迟的测量。这在图13A及图13B中示出，图13A及图13B是光学延迟OR(弧度)与进入CS基板的深度D(mm)的关系曲线图。图13A的曲线图是在不使用上述噪声减少设备及方法的情况下获得的。图13B的曲线图是通过使用上述噪声减少设备及方法获得的。图13B的曲线图的平滑度是应用本文所公开的噪声减少设备及方法的直接结果。
使用弯曲点及CS基板中平面使OR曲线图偏移
因为CS基板10的顶部表面12的位置可能难以根据LSP图像248来确定，所以可基于延迟曲线(OR与D的关系)的大致形状使应力分布偏移至适当位置。OR延迟曲线具有两个弯曲点，在弯曲点处，导数为零。图14A中展示示例实际OR与D曲线以及两个弯曲点BP1及BP2。数据点被展示为开口圆圈。两个弯曲点对应于应力分布从压缩变为拉伸之处，或反的还然。
若应力分布为对称的，则两个弯曲点BP1及BP2应当还关于CS基板的中平面MP(参见图1A)为对称的。因此，若已知CS基板10的厚度TH且可找到光学延迟OR曲线的两个弯曲点BP1及BP2，则可使OR轮廓水平偏移至正确位置。这允许更准确地确定压缩深度DOC，因为CS基板10的顶部表面12的位置是基于CS基板的已知对称性及厚度来选择的。图14B类似于图14A，但是展示了与图14A相比使用上述曲线图偏移(数据偏移)技术向左偏移的OR曲线。
使用曲线拟合使OR曲线图偏移
针对对称的应力分布提取DOC的替代方法涉及分析延迟轮廓(即，OR与D曲线)的形状。若已知CS基板的厚度TH且可经由多项式拟合来确定弯曲点BP1及BP2的相对位置，则可通过以下表达式确定CS基板的压缩深度DOC：
DOC＝[TH-(BP2-BP1)]/2
其中BP1及BP2为弯曲点的相对深度位置。
用于OR与D的关系的曲线的曲线拟合
本公开的实施例是关于获得对OR与D的关系的曲线的数据的极佳拟合的方法。方法包括采用线性函数与二次函数的组合来获得曲线拟合。此方法在下文被称为LinQuad法。
图15A是OR与D的关系的数据(圆圈)的曲线图且展示使用LinQuad法对OR数据的示例拟合曲线FC(实线)。LinQuad法假设以下模型应力函数，其中σ为应力，x为进入CS基板10的深度坐标且R如下文所限定：
可提取对应的延迟且将其拟合于原始感兴趣数据以重新产生应力分布。此处，C表示CS基板中的归一化建模离子浓度。其表达式如下。
其中dl为线性区的深度，dc为弯曲区的深度，C0为恒定乘数且t为CS基板厚度。
替代表达式由下式给出：
此处，CT为应力分布的中心张力，且为约的(部分任意的)常数。真LinQuad函数在上文限定，其中仅拟合了dc、dl、C0。然而，σ(x)的此最后表达式允许第四个参数(即，中心张力CT)变化，这可帮助函数更紧密地拟合数据。
图15B是基于图14A的对OR与D的关系的曲线的LinQuad拟合的应力S(x)＝σ(x)与深度D(mm)的关系的曲线图。
功率尖峰函数
功率尖峰函数被限定为：
其中CTsp为尖峰区R1中的尖峰的中心张力，mid为厚度TH的一半，CSsp为尖峰的压缩应力，且DOLsp为尖峰的层深度。参数Leff为尖峰区R1的有效长度(深度)。此函数为在末端处具有两个误差函数尖峰的功率分布的拼接。CSsp及DOLsp值特定于每一玻璃类型且作为常数被输入。仅有的需要拟合的参数为函数的功率p及峰值中心张力CTp。
图16A是示出了使用功率尖峰函数的示例拟合曲线FC的OR与D的关系的曲线图。图16B是基于图16A的对OR与D的关系的曲线的功率尖峰拟合的应力分布S(x)(MPa)与进入CS基板10的深度D的曲线图。
去除系统误差以符合对称的应力分布
使用LSP测量数据的CS基板的应力分布是通过对OR与D的关系的曲线求微分获得的。因而，对称的应力分布将总是对应于不对称的OR与D的关系曲线。然而，来自LSP子系统200中的各种组件的系统误差可将对称分量引入至OR与D延迟数据中，从而妨碍应力分布的准确提取。可通过以下步骤减轻此效应：将延迟数据分解成对称分量及反对称分量，且仅拟合反对称部分(即，不对称数据点)。
考虑到呈函数f(x)形式的光学延迟OR，可如下达成分解。
f(x)＝fs(x)+fa(x)
其中fs及fa为延迟f的对称分量及反对称分量，且由以下等式表达：
图17A是基于初始OR数据对OR与D的关系的曲线图的拟合，而图17B是在使用上述方法移除了数据的对称分量的情况下对OR与D的关系的曲线图的拟合。图17B中对测量数据的拟合曲线FC的拟合误差为0.006，而图17A的拟合误差为约0.46。
针对准确的CT及DOC的可调整拟合区
对OR与D的关系的曲线的单个拟合可能不总是足以准确地确定中心张力CT及压缩深度DOC。此是因为从LSP耦合棱镜42B或耦合界面INT2的散射可妨碍接近CS基板10的顶部表面12处的资料收集。
在示例中，对OR与D的关系的曲线的拟合是使用对曲线的与中心张力CT及压缩深度DOC相关联的单独区的多个拟合来执行且调整OR数据的拟合范围以用于准确的CT及DOC提取。
图18A及图18B展示示例OR与D的关系的曲线，其中由数据(圆圈)限定的弯曲点BP1及BP2附近的区被拟合以提取压缩深度DOC。图18B展示了弯曲点BP1及BP2之间的中心线性区，所述中心线性区被拟合以提取中心张力CT。在两种情况下，OR与D的关系的数据的范围大体上减小为OR与D的关系的曲线的与给定应力参数相关的那一部分。
图19A至图19D进一步示出数据范围选择(由垂直的虚线展示)对拟合质量的影响。图19A是OR与D的关系的曲线图，其中考虑完整的数据范围且其中拟合曲线未很紧密地拟合弯曲点BP1及BP2。图19B是应力S(x)与D(深度)的针对图19A的对应曲线图，其展示压缩应力CT及压缩深度DOC。
图19C是类似于图19A的OR与D曲线图，只不过数据范围被减小为垂直的虚线之间的区，且因此省略了测量数据的第一“末端”区ER1及第二“末端”区ER2。图19C的拟合曲线FC紧密沿循弯曲点BP1及BP2。对应的S(x)与D的关系的曲线图展示于图19C中，且压缩应力CT及压缩深度DOC的值大体上不同于图19B的压缩应力CT及压缩深度DOC，图19B中使用完整的数据范围。
同时的EPCS及LSP测量考虑
一种使用LSP子系统200达成压缩深度(depth of compression，DOC)测量的良好精度的方法是将CS基板10按压在止动表面(例如，支撑充气部70)上以确保CS基板10的顶部表面12与预定义表面共平面，所述预定义表面可指派有深度z＝0。此按压可通过以下来达成：将CS基板10推抵在止动件上，或者应用真空以使得环境大气压提供力来将CS基板10的顶部表面12推入位于z＝0的适当位置(参见例如图8A、图8B)。
另一方面，使用EPCS子系统100达成清晰的(即，高对比度度)模式频谱160以获得NSWG 18的近表面区R1的准确应力测量结果还经常需要EPCS测量区域中的良好的CS基板平坦度，这还可使用真空系统91来达成。
由于EPCS及LSP测量区域位于CS基板的不同位置，在LSP测量区域处应用真空在一些情况下可使CS基板在EPCS测量区域处变形，且在EPCS测量区域中导致次最佳的或甚至很差的平坦度或显著变形的表面。这导致EPCS模式频谱160具有不良的对比度且是“离焦的”。此类条件可引起减小的准确度及减小的精度，以及测量失败，因为不良的对比度可致使系统控制器未能识别用于执行应力计算的模式频谱160的一些目标特征。
在示例实施例中，EPCS子系统100的EPCS检测器系统140利用适应性聚焦来实现支撑充气部70上的CS基板10的正确对准，以在CS基板被对准以获得LSP子系统200的最佳LSP测量结果时使用EPCS子系统获得最佳(最精确)的DOC测量结果及近表面应力测量结果。
在图20所示出的一个实施例中，此是通过使EPCS检测器系统140的聚焦透镜142可调整(例如，通过将聚焦透镜安装在平移台143上来使其轴向可移动)来实现，平移台143在示例中可操作地连接至系统控制器400且由系统控制器400控制。在示例中，平移台143包含精密线性致动器，诸如压电致动器。在另一示例中，平移台143包含滚珠螺杆致动器。这允许聚焦透镜142沿着第二光学轴线A2平移以改良或最大化EPCS数字检测器150所捕获的模式频谱160的对比度。在示例中，模式频谱160的对比度经改良以增强目标频谱特征，诸如TM条纹163TM及TE条纹163TE以及临界角转变166TM及166TE。
轴向可移动聚焦透镜142的位置可由系统控制器400电子监测，以通过考虑“光学路径长度”或OPL(例如，从聚焦透镜142至EPCS数字检测器150的距离)来校正EPCS子系统校准。在一个实施例中，可简化考虑，只要OPL不在预定义的可接受范围外以使得初始校准仍然准确即可。在另一实施例中，基于OPL来校正所述校准，且基于经校正的校准来计算表面应力S(0)＝CS和/或层深度DOL。
在另一实施例中，聚焦透镜f1具有可变的有效焦距，所述有效焦距由系统控制器400主动控制以在试样经对准时获得高对比度度模式频谱160以确保LSP子系统200的压缩深度DOC的最精确或准确的测量结果。可变焦距聚焦透镜142可包含复合透镜(类似于具有一个以上光学元件的照相多组件透镜)，或者可另外包含适应性透镜，诸如流体填充式透镜，其中改变流体的压力会改变透镜的形状且因此改变焦距。当使用可变焦距聚焦透镜142时，使聚焦透镜142的位置偏移可能并非必要，因为改变焦距在许多情况下可能足以补偿EPCS测量区域中的试样形状的变形，此变形是由于对准试样以获得LSP测量区域中的最佳测量结果。
在另一实施例中，聚焦透镜142的有效焦距的变化可由呈镜面形式的适应性透镜表面实现，所述镜面可与固定的单透镜组合以产生可在一定范围内改变的净有效焦距，即使当CS基板对准针对LSP子系统200经优化时，所述范围足以产生高对比度度模式频谱160。
因为CS基板10中的变形往往不太大，所以可变焦距聚焦透镜142的折射能力的变化不需要特别大来补偿。在示例中，可将聚焦透镜142的焦距改变最多15％，或者在另一示例中最多10％。
另一方面，当CS基板10具有小于0.6mm的厚度时，可能有必要将折射能力改变超过15％，且多达20％或甚至25％。因此，在示例中，用于改变聚焦透镜142的焦距的适应性系统被配置以在焦距范围内改变焦距，所述焦距范围表示平均焦距的25％，尽管在许多情况下，平均焦距的20％、15％或甚至10％可能就够了。
类似地，因为针对平坦CS基板的测量，聚焦透镜142系统聚焦于无穷远处，所以当聚焦透镜142具有固定的焦距且聚焦透镜的位置经轴向调整以产生高对比度度模式频谱160时，聚焦透镜可达的轴向位置的范围将理想地表示透镜的焦距的约25％，尽管在一些情况下，焦距的20％、15％或甚至10％可表示足够的位置范围。
图21A及图21B是示例实施例的示意图，其中焦距略有不同的两个或两个以上聚焦透镜142安装在支撑构件152上以限定聚焦透镜组件153。支撑构件152可移动以将聚焦透镜142中的所选一者置放于经反射的EPCS光束116R的光学路径中(即，沿着第二轴线A2)。这允许使用者从一组离散的焦距中选择聚焦透镜142的焦距。图21A展示了其中支撑构件152呈可旋转轮形式的示例，所述可旋转轮可关于旋转轴线AW旋转。图21B展示其中支撑构件152呈线性可平移支撑框形式的示例。例如，展示聚焦透镜142。一般而言，聚焦透镜组件153可支撑两个或两个以上聚焦透镜142。
若认为模式频谱160中的感兴趣特征(例如，TM模式线163TM及TE模式线163TE以及TM临界角转变166TM及TE临界角转变166TE等)的对比度足够，则测量照常进行。若认为感兴趣特征的对比度不够，则将具有不同焦距的聚焦透镜142移动至经反射的EPCS光束116R的光学路径中且由EPCS数字检测器150捕获新的模式频谱160且分析对比度。此过程重复，直至获得具有足够对比度的模式频谱160为止。
在示例中，聚焦透镜142的焦距的差异可由总的所需焦距涵盖范围及支撑构件上的透镜的总数来设定。在一个示例中，有六个聚焦透镜由支撑构件支撑，而聚焦透镜涵盖的范围为整组聚焦透镜的平均焦距的20％与30％之间，且焦距的间距为平均焦距的3％与7％之间。
在另一示例中，焦距间隔不均匀，以使得每一对相邻焦距的间距近似为相邻焦距的平均值的固定百分比，其中所述百分比为2％与20％之间，且更佳地为3％与10％之间。
在另一相关实施例中，聚焦透镜142中的一些或全部包含菲涅耳透镜。在另一实施例中，聚焦透镜142不需要具有不同的焦距，而是可以某种方式定位在可移动支撑构件上以使得当所选聚焦透镜置放于光学路径中时，所述聚焦透镜离EPCS数字检测器150的距离不同于其他聚焦透镜的情况。在此实施例中，获得针对感兴趣特征具有足够对比度的频谱未必是通过具有一组完整的离散密集间隔的定制选择焦距来保证，而是通过离数字检测器的一组距离和/或可用焦距来保证。这可通过利用标准的成品聚焦透镜且定位每一聚焦透镜以针对CS基板10的特定翘曲/曲率范围产生清晰图像来降低EPCS子系统100的成本。
在示例中，系统控制器400可被配置以基于所捕获模式频谱160的感兴趣特征的对比度的测量来选择聚焦透镜142中的一者。
在另一实施例中，可通过使用所有所捕获模式频谱当中具有最佳对比度的两个或三个优选模式频谱160来进行测量，然后可将优选结果计算为两个或三个优选模式频谱的平均值。在示例中，可将优选结果计算为两个或三个优选模式频谱的加权平均值。在相关示例中，每一优选频谱的权重可与优选模式频谱的感兴趣特征的对比度成比例。
使用独立的应力测量结果来进行应力测量结果校准
EPCS子系统100可能很擅长于获得使用Li玻璃由IOX工艺(例如，其中K离子在近表面区中取代来自玻璃的Li和/或Na离子)形成的CS基板的高对比度度模式频谱160。这继而通过基于TM临界角转变166TM及TE临界角转变166TE(参见图3B)的相对位置测量双折射率来允许拐点应力CSk的很好的测量结果。
另一方面，拐点应力CSk的EPCS测量结果经常具有比表面应力S(0)的测量结果低的相对精度。特定而言，拐点应力CSk的测量结果的标准偏差经常为其平均值的几个％，而表面应力S(0)的标准偏差经常为其平均值的大约1％至2％。另外，简单地作为检测到的临界角的双折射率B与应力光学系数(stress-optic coefficient，SOC)的比率获得的拐点应力CSk的值与从应力分布的建设性RNF测量获得的拐点应力CSk的值略有不同。
当认为拐点应力CS k的EPCS测量结果不如它可能或应当的那么准确时，这可能是由于临界角的双折射率的测量结果中的系统误差。此系统误差可由TM模式线163TM及TE模式线163TE太靠近TM临界角转变166TM及TE临界角转变166TE造成，且进一步由TM及TE折射率分布的特定形状造成。
当进行质量控制测量时，通过用对应的独立的参考应力测量结果校准拐点应力CSk的基于EPCS的测量结果来减轻此类系统误差，所述参考应力测量结果可为从使用相同工艺形成的一组CS基板中或从所述相同工艺期间的相同批次中选择的CS基板上的破坏性测量结果。在示例中，此是通过基于独立的测量结果经由以下关系应用校准乘数Kcal来实现：
CSk(EPCS,校准)＝Kcal·CSk(独立)。
在示例中，校准乘数Kcal可经由以下等式用作由EPCS子系统100计算出的应力分布的一般校准因子：
S(EPCS,校准)＝Kcal·S(初始)
其中S(初始)为初始测量的(未校准)应力分布S(z)。
张力带应力分布提取
用于形成CS基板10的IOX工艺形成限定NSWG 18的压缩带。此压缩带延伸至基板中且达到零值，这限定了压缩深度DOC。超过DOC，压缩带结束且张力带开始。
若可准确地提取张力带中的应力分布，且它可用作强有力的工具来帮助提取压缩带中的应力分布的大体上准确的表示。这可通过利用整个CS基板10或一半CS基板(即，所谓的“半力平衡”)中的应力的力平衡来进行。
在一个实施例中，除了张力带中的应力分布的面积(由从一个压缩深度至相反侧的压缩深度的拉伸应力的深度积分表示)之外，还从基于LSP的测量结果获得在可靠斜率提取深度处的应力分布的斜率的可靠值。
在示例中，可靠斜率提取深度可为压缩深度DOC。在压缩应力区中，表面压缩应力由EPCS方法确定。在一些情况下，当没有足够的导引模式用于可靠的IWKB提取时，还使用先前技术(诸如IWKB、或线性分布、erfc形分布、或指数分布、或LinQuad分布近似)从EPCS方法提取压缩应力分布的一部分。基于EPCS的方法随后提供目标连接点，其位于具有表面应力值S(0)的表面处，或位于更深的连接点(例如，拐点深度zk；参见图1B)处，直至此连接点，可从EPCS测量结果提供应力分布S(z)的表面部分。在后一种情况下，由于EPCS测量结果的限制，可能未以高准确度规定拐点应力CSk。
但是，拐点应力CSk的此值可提供足够的开始点以便于通过迭代式改良来提取压缩带(例如，基本上为图1B中的带R1及R2)中的应力分布。在第一次迭代中，可使用二阶多项式用可靠地提取的应力斜率来连接具有表面应力值S(0)的近表面连接点与深部连接点(例如，拐点应力CSk或压缩深度DOC)。这确定了压缩带中的应力分布的第一近似，其具有直至第一连接点(例如，在拐点深度zk处)从EPCS获得的第一部分及在两个连接点之间经由多项式内插获得的第二部分，其中在第二连接点处，不仅匹配表面应力S(0)，而且匹配应力分布斜率。
在特定示例中，第二连接点可为压缩深度DOC，但不必如此。对应力分布S(z)的第一近似求积分。若应力分布不对称，则可在试样的两侧上执行EPCS测量，且针对每一侧如上获得应力分布的第一近似。若应力分布S(z)由于设计及实施是对称的，则可假设试样的后侧具有后侧压缩区中的与前侧压缩区相同的应力分布。
在相应压缩区上相对于深度对来自前侧及后侧压缩区两者的应力分布的第一近似求积分，且将其与张力区上的张力的深度积分相比较。若差异的绝对值大于预定义的可接受限值，则执行校正步骤以减小差异。在示例中，预定义的可接受限值为张力带应力面积的5％，但是逐渐更好的可接受限值包括3％、2％、1％及0.5％。
可接受限值可基于张力带应力分布的提取准确度的估计来确定。在一个实施例中，由不同方法获得应力分布的若干第一近似，其全部匹配第一连接点处的拐点应力CSk，及第二连接点(例如，压缩深度DOC)处的应力值及应力斜率。不同类型的第一近似可包括二阶、三阶及四阶多项式、指数分布、erfc形分布、高斯分布及洛仑兹分布。然后，针对此类第一近似中的每一者，在第一近似压缩带中的应力面积与使用基于LSP的测量结果提取的张力带中的应力面积之间找到差异。然后找到此类第一近似应力分布的线性组合，以使得线性组合应力分布的应力面积等于张力带应力面积。
在另一实施例中，通过允许拐点应力CSk的范围瞄准拐点应力CSk的初始基于EPCS的估计附近来考虑到拐点应力CSk的基于EPCS的测量结果的有限准确度。在应力分布的压缩应力部分的第一近似中，使用压缩带的内插区的优选目标形状函数，与拐点应力CSk的基于EPCS的初始值进行连接。在示例中，优选目标形状为二阶多项式。
在每次迭代之后，从张力带的应力面积中减去来自两个组合的压缩带(试样的每一侧上一个压缩带)的压缩应力分布的应力面积。若差异的绝对值大于目标预定义的可接受限值，则拐点应力CSk的目标值可在拐点CSk的预定义的可接受范围内改变，所述可接受范围是根据可从基于EPCS的方法获得的拐点应力测量结果的估计精度确定的。
在示例中，估计的拐点应力精度为约10MPa，但是在一些情况下更好地为7MPa或5MPa或3MPa。当不存在表面尖峰且导引模式不可用时，则可使用相同的技术来连接至目标表面应力S(0)，所述目标表面应力S(0)被允许在由表面应力测量结果的精度确定的范围内变化。
在示例中，目标表面应力S(0)或拐点应力CSk的可接受值的范围可为最多6个标准偏差宽，例如，在表面应力或拐点应力的测量值的任一侧上3个标准偏差。在一个实施例中，目标表面应力S(0)不需要迭代地变化，而是可由代数计算利用第一近似应力分布与张力带应力分布之间的所测量面积差异及针对压缩应力区的内插部分选择的优选函数形式来确定。
增强EPCS子系统
图22A类似于图3A且示出增强EPCS子系统100的示例。增强EPCS子系统100将EPCS光源112相对于EPCS耦合棱镜42A置放于远程位置。远程EPCS光源112是多波长的且可包括分别发射不同波长λa、λb、λc…的光的一个或多个光源元件123(例如，123a、123b、123c…)。多波长EPCS光源112还可包括发射宽带光的单个光源元件123，其中不同的波长在宽带光谱内或在宽带光谱内的不同位置处。
EPCS光源112由光导130光学连接至聚焦光学系统121，光导130具有输入端131、输出端132及轴向长度AL(参见在图底部处的伸展光导130的特写插图)。在示例中，聚焦光学系统121可包含一个或多个透镜元件。在示例中，聚焦光学系统121可经色彩校正，即，经设计以对多个波长成像而不会有实质的色差。这可使用针对所使用波长或波长范围设计的消色差透镜及光学涂层来实现。
在示例中，光导130可包含液体填充式光导，诸如可从ThorLabs公司(Newton,NewJersey)以零件编号LLG5-4T获得的。在另一示例中，光导130可包含光纤束或固体光管。示例光导130具有至少几英寸且优选为8”或更长的轴向长度AL，其中精确的长度由远程EPCS光源112的位置确定。
来自远程EPCS光源112的EPCS光束(下文中为光或光束)116被耦合至光导130的输入端131中且作为导引光116G在其中行进。可通过使用一个或多个透镜元件135(参见图23)来促进光耦合。导引光116G行进至光导130的输出端132且作为初始EPCS光束116被发射。从光导130的输出端132发射的此初始EPCS光束116是发散的。此发散光由聚焦光学系统121接收，聚焦光学系统121形成三种形式的经聚焦的EPCS光束116F，经聚焦的EPCS光束116F被引导至EPCS耦合棱镜42A。图22A的示例EPCS子系统100的其余部分如上文结合图3A所描述。光导130、透镜元件135及在光源与光导130之间的其他可选的光学组件(例如，下文所介绍且论述的漫射器137)构成光导组件，光导组件将来自EPCS光源112的EPCS光束116(经依序滤波的或多波长的)传送至驻留在靠近EPCS耦合棱镜42A处的聚焦光学系统121。
图22B类似于图22A且示出其中分离式TM-TE偏振器148由可切换TM-TE偏振器148S取代的实施例。可切换TM-TE偏振器148S由可操作地连接至系统控制器400的偏振器控制器149控制。在此配置中，EPCS数字检测器150针对每一波长依序检测TM模式频谱161TM及然后TE模式频谱161TE，而不是当使用图3A的分离式TM-TE偏振器148时针对每一波长检测组合式TM-TE模式频谱160(参见图3B)。此方法增大可用于模式频谱图像161TM及161TE的检测器像素的数目且消除当使用分离式TM-TE偏振器148时在组合式TM-TE模式频谱160之间的边界处发生的一些解析率/对比度问题。示例可切换TM-TE偏振器148S包含如偏振切换领域中已知的带磁性的偏振晶体。依序捕获的模式频谱图像161TM及161TE的分析与使用固定的TM-TE偏振器148同时捕获的模式频谱图像的分析相同。
图23是远程EPCS光源112的示例实施例的示意图。示例远程EPCS光源112包含多个光源元件123，其中作为示例展示三个光源元件123a、123b及123c。示例光源元件123a、123b及123c分别发射具有相应波长λa、λb及λc的光束116a、116b及116c。使用波长选择性元件125a及125b将光束116a、116b及116c引导成沿着共同光源轴线AS行进，波长选择性元件125a及125b在示例中为被配置以透射一个波长带的光而反射另一波长带的光的双色镜。在示例中，光束116a、116b、116c组合以形成单个多波长EPCS光束116。
在示例中，光源元件123可操作地连接至系统控制器400且由系统控制器400控制，或者由可操作地连接至系统控制器400的光源元件(light-source-element，LSE)控制器405控制。光源元件123可同时或依序启动，如下文更详细地论述。光源元件123不需要为窄频的且在示例中可共同产生相对宽带的光以提供相对宽的测量波长范围，诸如在近UV至近IR的范围内。
继续参考图23，示例光源系统进一步包括诸如2020年3月31日申请的美国临时专利申请案第63/002468号中所公开的光学滤波器设备500，且所述案以全文引用的方式并入本文中。图24A是光学滤波器设备500的一部分(称为滤波器轮530)的前视图。滤波器轮530包含支撑构件510，支撑构件510可操作地支撑分别含有两个或两个以上光学滤波器组件600的两个或两个以上孔516，光学滤波器组件600针对整数m个光学滤波器组件可表示为600a、600b…600m。不同的光学滤波器组件600a、600b、600c、600d…600m各自具有滤波器轴线AF，且被配置以在具有相应相对窄的带宽δλa、δλb、δλb、δλd…δλm(诸如，例如2nm)的相应波长λa、λb、λc、λd…λm处执行EPCS光束116的窄频光学滤波。光学滤波器设备500因此被配置以使用光学滤波器600执行窄频光学滤波，以使得包括给定波长的相对宽带光(例如，大于3nm或大于5nm，或者大于10nm或大于20nm，等等，且包括带宽为100nm或好几百nm的极宽带光)可在所述波长附近被窄频滤波。在下文的论述中，已穿过光学滤波器组件中的一者的光被称为经滤波的光。经滤波的光是窄频的且具有由它所穿过的滤波器限定的中心波长。
图24A展示示例滤波器轮530，其中支撑构件510支撑四个不同的光学滤波器组件600(600a、600b、600c及600d)，所述光学滤波器组件600具有相应的窄频滤波器(中心)波长λa、λb、λc和λd。图24A的示例支撑构件510具有带有中心轴线AW的圆盘形主体、中心区段512及外部区段514，其中光学滤波器组件支撑在外部区段中，且在示例中均匀地分布于外部区段上。支撑构件510还具有外周边523、前侧522及后侧(未图示)。中心轴线AW穿过圆盘形主体的中心区段512，如所示。支撑构件510及光学滤波器设备500的组合构成滤波器轮530。
再次参考图23，驱动系统540机械连接至支撑构件510且被配置以导致支撑构件移动。示例驱动系统包含驱动轴544，其末端中的一者附接至支撑构件510的中心区段512而其另一末端附接至驱动电机550。驱动轴544与支撑构件轴线AW同轴地设置。驱动电机550电连接至系统控制器400，系统控制器400被配置(例如，使用控制软件来配置)以例如使用电机控制信号来控制驱动电机550的操作，同时还接收包括关于电机操作的信息(诸如滤波器轮530的旋转速率、相对旋转位置等)的数据信号。
驱动系统540致使滤波器轮530绕旋转轴线AR旋转，旋转轴线AR与支撑构件轴线AW同轴。滤波器轮530继而设置成使得光学滤波器设备500依序与光源轴线AS相交以便EPCS光束116经依序滤波以形成经依序滤波的EPCS光束116(即，包括一系列经滤波的光束116a、116b…116m的EPCS光束)，如图23中在光学滤波器组件的下游及在图24B的示意图中所示。图24B展示两个示例经依序滤波的EPCS光束116，其中顶部示例是使用四个滤波器波长(116a、116b、116c及116d)形成且底部示例是使用两个滤波器波长(116a及116b)形成。经依序滤波的EPCS光束116然后进入光导130的输入端131。如上所述，这可通过使用一个或多个透镜元件135来促进，透镜元件135可操作地沿着光源轴线AS设置于滤波器轮530与光导130的输入端131之间。
光源元件123的启动的定时及光学滤波器组件600的位置由系统控制器400控制以使得经依序滤波的EPCS光束116的适当部分被滤波。或者，所有一个或多个光源元件123可同时启动以形成宽带EPCS光束116，而光学滤波器设备500用于依序限定经滤波的光束116a、116b...116m，经滤波的光束116a、116b...116m进入光导130且最终作为经滤波且经聚焦的EPCS光束116F被引导至棱镜组件40(参见图22A)
在示例中，光学滤波器设备500经焦点校正以补偿经依序滤波的EPCS光束116的不同波长部分的不同焦点，其中不同焦点是由于不同波长。焦点校正可通过使用校正透镜124a、124b、124c…来实现，校正透镜124a、124b、124c…被配置(例如，经轴向定位、具有不同光功率等)以使得针对所使用的每一光波长将依序滤波的EPCS光束116a、116b...116m中的给定一者高效地耦合至光导130的输入端131中。在另一示例中，焦点校正可由具有滤波器620及校正构件630的每一光学滤波器组件600采用，校正构件630被配置以用于给定滤波器波长下的焦点校正，如图23中的特写插图所示且如前述美国临时专利申请第63/002468号中详细地描述。
应注意，光学滤波器设备500还可部署于EPCS检测器系统140内以实现以下相同目标：提供不同波长的窄频测量光，以使得可在多个不同波长中的每一者处测量给定CS基板10的模式频谱以便改良CS基板的应力相关特性的测量准确度。
由EPCS光源系统110提供给EPCS耦合棱镜42A的照明可由所采用的总体系统定时及感兴趣波长确定。在一个示例中，EPCS光源112可包括单个宽带光源元件123，诸如卤素灯泡、白炽灯泡、氙气灯泡或白光LED或激光二极管，且依靠光学滤波器组件600来选择波长及带通。在另一示例中，发射不同波长的多个光源元件123可用于诸如以上述方式产生处于所选波长的光。在图23的利用三个光源元件123(123a、123b、123c)及两个波长选择性元件125的所示出实施例中，光源元件中的两者可分别发射相对窄频带内的短波长及长波长，而第三个光源元件具有处于中间波长的相对宽带发射。例如，短波长可为365nm，长波长可为780nm，且更宽带波长可为包含优势蓝色(450nm)LED的人眼白光装置，所述LED包括450nm、510nm及640nm的波长。此类三个光源元件123可利用简单的连续电源供应配置来同时且持续地启动，从而依靠光学滤波器设备500的带通滤波器配置来仅以依序方式通过所需(窄频)波长。添加光束强度的控制(例如，使用可变光学衰减器)允许优化所选波长下的LED输出。这可对补偿EPCS数字检测器150的任何波长灵敏度有用。
在其中光源元件123中的一或多者包含LED的示例中，LSE控制器405或系统控制器400可被配置以提供脉冲式操作以延长LED寿命且减少对散热的需要，从而消除对散热片的需要且产生更紧凑的EPCS光源112。用于LED的脉冲控制系统可包括电流和/或持续时间控制以允许更好地匹配可用于带通滤波器传输的光及给定波长处的检测器灵敏度。例如，当“白色”LED用于提供若干不同的测量波长时，数字检测器曝光时间可与由LED驱动器控制的可用光保持一致。在检测器曝光时间期间对LED进行脉冲操作还可允许LED的低占空比过驱动以获得更高强度。
EPCS子系统100的经聚焦配置(即，其中聚焦光学系统121形成经聚焦的EPCS光束116F)促进在CS基板10的EPCS测量期间的准确的光学对准而几乎没有光损耗。相对于第一耦合界面INT1(参见图22B及图22C)的测量角的范围与全内反射角相关。当CS基板10具有通常从顶部表面12向CS基板的主体11中减小的折射率梯度时，探测TM模式线(条纹)163TM及TE模式线(条纹)163TE(参见图3B)所需要的角的范围增大但仍然在有限范围内。通过优化光源及检测器视角(即，更具体而言，扩大在经滤波且经聚焦的EPCS光束116F中且因此在经滤波且经反射的EPCS光束116R中的夹角的范围)，增大光收集效率，从而针对所使用的不同波长产生模式频谱160的更好图像。
图22C是在EPCS耦合棱镜42A附近的EPCS子系统100的特写简化视图，且EPCS光源系统110及EPCS检测器系统140的对应部分示出示例照明配置。特定而言，采用科勒配置，其中由聚焦光学系统121将光导130的输出端132穿过EPCS耦合棱镜42A成像至EPCS检测器系统140的入射光瞳EP上。在示例中，入射光瞳EP驻留在EPCS检测器系统140的聚焦透镜142中，如所示。此配置确保从光导130的输出端132发射的经依序滤波的EPCS光束116的全部辐射保留在EPCS检测器系统140中。其还确保穿过EPCS耦合棱镜42A的所有角度的相等照明，这导致由EPCS数字检测器150捕获的TM模式线(条纹)163TM及TE模式线(条纹)163TE的强度大体上均匀。
替代配置使多个光源元件123(诸如2d或3d群集)的输出聚焦在光导130的输入端131处以促进将经依序滤波的EPCS光束116高效地耦合至光导中。在图23所示的示例中，可在光导130的输入端131处或附近采用漫射器137(诸如有限角漫射器)以改良进入光导的经依序滤波的EPCS光束116的光分布且通过消除双色镜的使用来简化组合器。
使用增强EPCS子系统100的测量方法相对快速且是基于控制在光源元件123的启动、光学滤波器设备500的滤波器轮530的旋转(方位)位置及EPCS数字检测器150的曝光时间(图像捕获时间)之间的定时关系。在实验中使用的增强EPCS子系统100的示例配置中，使用具有8-32个分接头的ThorLabs FW103H高电流BSC201控制器来控制电动滤波器轮530。这给光学滤波器设备500提供介于约55毫秒(millisecond，ms)至60ms之间的(步进式)滤波器切换速度。在示例实验配置中，光学滤波器组件600具有尺寸最多为1"的直径与6.35mm厚度。此滤波器切换速度仍然比EPCS数字检测器150的读出时间慢，EPCS数字检测器150在示例中每秒可读取100个帧，因此滤波器切换速度是示例实验配置的测量速度中的限制因素。
快速变化(步进)的滤波器轮配置的替代方案是持续地旋转滤波器轮530。快速变化配置需要高电流驱动系统540来以足够的精度开始并停止滤波器轮530。被配置以提供滤波器轮530的恒定旋转的驱动系统540使用相对小的持续电流来保持滤波器轮自旋，而来自滤波器轮及光学滤波器组件600的质量的惯性保持运动足够恒定，以使得简单的编码器或更简单的参考折射率传感器可用于指示位置且甚至向EPCS数字检测器150提供触发。若光源元件123并非持续地开启，则触发可用于启动来自光源元件123的照明。在一个示例中，曝光时间在大部分(且在另一示例中，最大量的)测量光穿过给定光学滤波器组件600时的持续时间内发生。在另一示例中，曝光时间仅在有光穿过给定光学滤波器组件600时或在有最小量的光(例如，超过最大量的10％)穿过给定光学滤波器组件600时发生。
形成滤波器轮530的支撑构件510的设计可包括相邻光学滤波器组件600之间的相对大的不透明区。这可允许不透明区像焦平面快门一样作用且跨给定模式频谱图像使曝光持续时间最大化为给定光学滤波器组件600的全部尺寸。在光被不透明区阻挡时，即，在光学滤波器设备500到达光源轴线AS及光的光径之前，曝光可开始。随着光学滤波器组件600进入光源轴线AS并与其相交然后移开，曝光继续。当光学滤波器组件完全离开光的光径且下一个不透明区最终到达光源轴线时，曝光停止。
图25A及图25B是示例EPCS检测器系统140的一部分的特写视图，其示出本文中公开的增强EPCS子系统100的两个示例配置。EPCS检测器系统140的示例采用多个EPCS数字检测器150，其中三个示例EPCS数字检测器表示为150a、150b及150c，其各自可操作地连接至系统控制器400。三个示例EPCS数字检测器150a、150b及150c使用分束器180在空间上分离，分束器180在图25A的示例中可为常规的分束元件。在一个示例中，EPCS数字检测器150a、150b及150c用于检测相应的波长λa、λb及λc。这可通过将相应的窄频光学滤波器144a、144b及144c置放于EPCS数字检测器150a、150b及150c中的每一者前方来实现。此配置允许同时检测模式频谱图像且消除对光学滤波器设备500及其高速滤波器轮配置的需要，但是需要多个EPCS数字检测器150及数据同步来处理同时的模式频谱测量。EPCS数字检测器150a、150b及150c沿着相应光学路径的相对轴向位置可经设定以补偿由所采用的不同光波长引起的任何聚焦差异。同样地，可采用额外的聚焦透镜142a、142b及142c以在相应的EPCS数字检测器150a、150b及150c处获得正确的聚焦。
在图25B所示的配置中，分束器是波长选择性元件125，诸如双色镜，以使得所选波长被引导至对应的EPCS数字检测器。这消除对在EPCS数字检测器150前方的个别窄频光学滤波器的需要。
图25C类似于图25A，只不过每一单个光学滤波器由光学滤波器设备500取代，光学滤波器设备500包括配置在如上所述的滤波器轮530上的多个光学滤波器。
使用如图23所示的采用具有高速滤波器轮530的单个光学滤波器设备500的光源系统配置的成本可超过使用如图25A及图25B所示的多个EPCS数字检测器150的成本，以使得在成本为因素的一些实施例中，多个EPCS数字检测器的使用可为优选的。多个EPCS数字检测器150的使用具有以下优点：检测器不需要针对总体系统速度在高帧速率下操作，因为速度来自使用多个EPCS数字检测器150同时获取模式频谱图像。在此情况下，曝光时间驱动获取时间，其中曝光时间主要由光源元件123的强度驱动。相对高功率的光源元件123的使用可用于降低曝光时间。
处理在不同波长下捕获的模式频谱160允许更准确地分析CS基板10的应力相关性质。在一些情况下，在一个波长下获取的给定模式频谱160的TM模式线163TM比TE模式线163TE清晰(即，对比度更高)，且反的还然。因此，在不同波长下捕获的多个模式频谱160的使用允许分析最好的(最高对比度度)TM及TE模式线。高对比度度模式频谱160允许准确地确定TM模式线163TM及TE模式线163TE的位置。此外，可穿过测量波长范围内的多个点对TM模式线163TM及TE模式线163TE的位置进行内插以更好地确定真实及虚拟模式线两者的真实位置以扩展分析。
在混合系统20的主外壳外部的远程EPCS光源112的使用保留了混合系统内的空间，移除热源且提供出入口以服务于光源的组件。
增强LSP子系统
图26类似于图4A且示出增强LSP子系统200的示例。增强LSP子系统200的LSP光源系统210现在包括可操作地沿着第三轴线A3按次序设置于LSP光源212与第一聚焦透镜之间的以下组件：快门系统280、旋转半波片234RH及固定偏振器(具有固定的偏振方向)234F。快门系统280可包含例如由驱动电机驱动的旋转快门。在示例中，LSP光源212包含相对高功率的激光二极管213，其具有以所选波长(诸如405nm)为中心的光输出(LSP光束216)。在各种示例中，激光二极管213具有至少1毫瓦(milliwatt，mW)或至少10mW或至少20mW或至少30mW或至少40mW或至少50mW的输出功率。
光学补偿器230现在包括可操作地沿着由偏振分束器(polarizing beamsplitter，PBS)232限定的光谱仪轴线AS设置的光谱仪260。光学补偿器230还包括沿着第三轴线A3配置且在PBS232下游的固定半波片234H及可变偏振器234V。可变偏振器234V由偏振控制器237驱动。可移动聚焦透镜236驻留在光学补偿器230下游。在示例中，可移动聚焦透镜236由线性电机272移动且由透镜座270机械附接至线性电机272。在示例中，透镜座270可包含在支撑管(未图示)内轴向可移动(可滑动)的透镜管。在示例中，线性电机272包含被配置有提供精密线性移动的线性致动器。在示例中，可变赔不起234V包含液晶可变延迟片(liquid crystal variable retarder，LCVR)。在示例中，温度控制器235与可变偏振器234V可操作地通信以提供温度稳定化以避免偏振随着温度变化。
在LSP光源212中使用相对高功率的激光二极管促进对由玻璃材料制成的CS基板10进行应力相关测量，玻璃材料具有非晶结构，非晶结构的散射能力不如玻璃陶瓷材料的晶体结构。PBS232针对所选波长(例如，405nm)下的效能经优化，从而优化朝向被测试CS基板10引导的光的量。半波片234H及PBS232的组合允许CS基板10处的自动光强度控制，从而使得有可能在测量玻璃CS基板与测量玻璃陶瓷CS基板之间交替。
光谱仪260经设置以接收LSP光束216的一部分且对LSP光束进行光谱处理。光谱仪260服务于两个主要功能。第一功能是实时监测LSP光束216的波长，从而允许波长校准。第二功能是监测激光二极管的输出功率的变化。因此，术语“光谱处理”可包括执行前述第一及第二功能中的至少一者或两者。
在示例中，温度控制器235允许可变偏振器234V的LCVR在相对于诸如室温的环境温度略有升高的温度(例如，约35℃与40℃之间)下操作，从而减少室温波动对偏振的影响且改良测量稳定性及循环时间。在示例中，光谱仪260可为可商购的光谱仪或者可为由此项技术中已知的标准组件(诸如绕射光栅、一系列陷波滤波器等)制成的光谱仪。
具有约50mW输出功率的高功率激光二极管213可高于针对某些类型的CS基板10获得足够的散射强度所需要的所需功率。然而，进入CS基板10的LSP光束216的确切量可利用旋转半波片234RH结合PBS232来精确控制。
图27A是展示如何执行激光二极管213的强度控制的示例的示意图。来自激光二极管213的线性偏振的LSP光束216穿过旋转半波片234RH且入射于PBS232上，PBS232将LSP光束分成两个光束，这两个光束被引导至光检测器PD1及PD2且由光检测器PD1及PD2检测，光检测器PD1及PD2继而可操作地连接至系统控制器400。应注意，在实践中，可使用额外的分束器(未图示)将LSP光束216的多个部分引导至并入增强LSP子系统200中的光检测器PD1及PD2。例如，一个分束器可沿着轴线AS置放于光谱仪260上游，而另一分束器可刚好置放于PBS232下游。
图27B是针对LSP光束216的透射(T)部分及反射(R)部分的归一化光功率OP与旋转半波片234RH的角θ(°)的曲线图，LSP光束216针对使用激光二极管213的示例实验配置是由PBS232形成的。可看出，当旋转半波片234RH旋转时，光检测器PD1及PD2处的测量功率改变。可预期T及R曲线图的镜像特征，因为旋转半波片在光进入PBS232之前有效地旋转光的偏振。垂直及水平偏振强度的量取决于来自激光二极管的LSP高速216的偏振定向。
再次参考图26，可移动聚焦透镜236提供稳定的解决方案来将LSP光束216聚焦至正在以微米分辨率进行分析的CS基板10上。另外，计算机控制(经由系统控制器400)确保跨不同混合系统20的可重复性，因为可使聚焦透镜236的位置相同。
聚焦透镜236的绝对位置可影响CS基板10的CT(中心张力)测量。图28是基于在示例CS基板10上执行的测量的CT(MPa)与聚焦透镜位置LP(mm)(相对于参考位置来测量)的曲线图。测量结果展示所测量CT跨聚焦透镜236的2mm运动范围的约5MPa变化。聚焦透镜236的正确置放确保准确且可重复的应力相关测量。
如上所述，示例可变偏振器234V包含由偏振控制器237驱动的LCVR。在使用LSP子系统200的典型测量期间，通过偏振控制器237所提供的一系列电压激励LCVR，电压之间有约200毫秒的延迟。此时间延迟允许装置响应时间及图像捕获且考虑到大部分测量循环时间。尽管LCVR在室温下良好地操作，但是其响应时间可随着升高的温度大体上改良(例如，最多3倍)，从而通过减小LCVR中的液晶材料的粘度来减少响应时间。在示例中，利用调幅(amplitude-modulated，AM)信号激励LCVR，且使用示波器确定LCVR的响应时间。LCVR稳定时间随着温度减少的趋势支撑测量循环时间减少的可行性。另外，如上所述，在相对于室温(环境温度)升高的温度(例如，＞30℃)下操作可减小或消除温度波动对偏振的影响，从而导致跨多个独立LSP子系统200的更高的稳定性及可重复性。
对LSP子系统200的示例增强包括校准过程，其包括相机角校准及相机倾斜补偿。图29类似于图11B，但是相关参数有不同的标记。相机角表示为β且相对于水平轴线来测量，而tr为真实CS基板厚度(其可利用例如卡尺来测量)，且ti为图像平面中(即，在数字检测器246处)的感知CS基板厚度。相机观察平面表示为CVP且观察方向表示为z(z轴)。相机角β经由关系Cosβ＝ti/tr与参数ti及tr相关。
相机倾斜角θ测量绕z轴的相机旋转量。相机倾斜角θ的偏差可改变计算图像平面厚度的方式。如图29所示，CS基板厚度tr的计算不再是入口点与出口点之间的垂直距离，而是需要使用三角学进行的更多计算以考虑到偏差角θ。
本公开的一方面包括用于由检测到的散射的LSP光束216S形成的X形LSP图像248(包括如上所述的已处理图像中的一者)的增强光束定中心方法，其涉及两个主要步骤，即，改良的光束中心步骤及改良的中心点检测步骤。(参见图10A)。
1)增强光束定中心方法
改良的光束定中心方法包括两个子步骤。第一子步骤通过在基板的每一深度处使用模型强度分布(IM)对水平图像强度轮廓(I)建模来发现沿着光束路径的光束中心，模型强度分布(IM)由下式给出
其中第一项将光束强度轮廓建模为高斯函数，其中a、b及c分别为高斯的峰值强度、中心及半径，而最后两项对背景强度分布(例如，环境光、相机暗计数、不均匀相机响应)建模，其中d及f分别为背景强度的斜率及恒定等级。p为图像中的水平像素的值。然后从IM对I的最佳拟合发现光束中心为高斯光束的中心。
图30A是针对沿着光束路径在x方向上进入CS基板10的所选深度的强度I(p)与像素数p(x)的曲线图。拟合估计散射的LSP光束216S中的一者(即，X形LSP图像248中的一者；参见图4D或图30C，后者在下文介绍)的中心，如大黑点表示的CNTR所指示。一旦已收集在沿着光束路径的每一深度处的一系列峰值中心，就在第二子步骤中穿过所有估计的峰值中心应用线拟合，如图30B的曲线图所示，图30B依据沿着x及y方向定位的像素(分别表示为p(x)及p(y))来展示峰值中心拟合。将此方法的结果与实际光束图像进行比较且展示来对散射光束的中心进行定位的方法具有高准确度。
2)增强中心点检测
增强中心点检测方法利用上述高斯拟合方法来追踪光束中心。图30C是类似于图10C的示意图，其展示LSP图像248(强度轮廓)，而两个重叠的拟合线FL1及FL2延伸穿过两个线图像区段的中心，这两个线图像区段表示为248-1及248-2。两个拟合线FL1及FL2的交点表示LSP图像248的中心点。
3)增强入口点方法
LSP图像248的感兴趣参数被称为入口点且在图30C中表示为ENP。确定入口点利用由上述高斯拟合方法建立的拟合中心线FL1及FL2，上述高斯拟合方法发现因变于光束强度的光束中心。然后将入口点ENP选择为沿着LSP图像248的中心线拟合的边缘强度分布上的半最大值。图30D是沿着拟合线FL2及在入口点EP附近(参见图30C)的LSP图像强度I(p)与像素位置p的曲线图。图30D的曲线图展示示例边缘强度轮廓且识别最大强度IMAX、表示背景或零强度值(例如，通过使强度曲线偏移)的最小强度IMIN及半最大强度I1/2，半最大强度I1/2驻留在IMAX与IMIN中间且限定入口点ENP的位置(像素位置)，所述位置在示例曲线图中大约在像素32处。像素32可与CS基板10上的实体位置相关以获得CS基板的坐标系统中的入口点ENP。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离如所附权利要求所限定的本公开的精神及范围的情况下，可对如本文所描述的本公开的优选实施例进行各种修改。因此，本公开涵盖修改及变化，只要它们在所附权利要求及其等效物的范围内即可。

Claims (47)

1.一种用于表征化学强化(CS)基板中的应力的倏逝棱镜耦合光谱术(EPCS)系统，所述CS基板具有表面及近表面波导，所述EPCS系统包含：
a)EPCS光源系统，所述EPCS光源系统包含：
i)EPCS光源，所述EPCS光源发射多波长EPCS光束；
ii)光学滤波器组件，所述光学滤波器组件被配置以对所述多波长EPCS光束进行依序滤波以形成具有不同波长的一系列经滤波的EPCS光束；
iii)光导组件，所述光导组件将所述一系列经滤波的EPCS光束作为导引光传送至聚焦光学系统，所述聚焦光学系统被配置成接收所所传送的经滤波的EPCS光束且由此形成一系列经滤波且经聚焦的EPCS光束；
b)EPCS耦合棱镜，所述EPCS耦合棱镜与所述CS基板的所述表面形成EPCS耦合表面并且接收所述一系列经滤波且经聚焦的EPCS光束，并在所述EPCS耦合表面处将所述一系列经滤波且经聚焦的EPCS光束耦合至所述近表面波导中以及耦合出所述近表面波导，以形成一系列经滤波且经反射的EPCS光束，所述一系列经滤波且经反射的EPCS光束分别包含所述近表面波导的针对对应的经滤波且经反射的EPCS光束的模式频谱；以及
c)EPCS检测器系统，所述EPCS检测器系统包含：
i)可切换偏振滤波器，所述可切换偏振滤波器能操作地连接至偏振控制器以依序执行所述一系列经滤波且经反射的EPCS光束的横向磁性(TM)及横向电(TE)偏振滤波，以形成经TM及TE滤波的且经反射的EPCS光束，所述经TM及TE滤波的且经反射的EPCS光束分别包含所述近表面波导的TM模式频谱及TE模式频谱；以及
ii)EPCS数字检测器，所述EPCS数字检测器被配置以依序检测一系列经TM及TE滤波的且经反射的EPCS光束，以依序捕获所述近表面波导在不同滤波器波长下的相应TM及TE模式频谱的TM及TE图像。
2.如权利要求1所述的EPCS系统，其中所述光学滤波器组件包括光学滤波器轮。
3.如权利要求1或2所述的EPCS系统，其中所述光学滤波器轮包括多个光学滤波器组件，所述多个光学滤波器组件包括光学滤波器和校正构件，所述校正构件被配置以提供给定滤波器波长下的聚焦校正。
4.如权利要求1至3中任一项所述的EPCS系统，其中所述EPCS光源包括至少一个宽带光源元件。
5.如权利要求1至4中任一项所述的EPCS系统，其中所述EPCS光源包含多个光源元件，所述多个光源元件分别同时或依序发射具有不同波长的不同EPCS光束。
6.如权利要求5所述的EPCS系统，其中具有不同波长的所述EPCS光束使用一个或多个光选择性元件组合成沿着共同轴线行进，以形成多波长EPCS光束。
7.如权利要求6所述的EPCS系统，其中所述一个或多个光选择性元件包含一个或多个双色镜。
8.如权利要求5所述的EPCS系统，进一步包括多个校正透镜，所述校正透镜分别相对于所述多个光源元件能操作地设置以促进将光束光学耦合至光导的输入端中。
9.如权利要求1至8中任一项所述的EPCS系统，进一步包括光漫射器，所述光漫射器被配置成邻近所述光导的所述输入端。
10.如权利要求1至9中任一项所述的EPCS系统，其中所述光导为充液式的。
11.如权利要求1至10中任一项所述的EPCS系统，其中所述CS基板包含玻璃材料、玻璃陶瓷材料或结晶材料，并且其中所述CS基板的近表面波导由近表面尖峰区及深部区限定。
12.如权利要求1至11中任一项所述的EPCS系统，其中所述光导组件包含具有输出端的光导，所述EPCS检测器系统包含入射光瞳，并且其中所述光导的所述输出端由聚焦光学系统成像至所述入射光瞳上。
13.一种用于表征化学强化(CS)基板中的应力的混合系统，所述CS基板具有顶部表面及近表面波导，所述混合系统包含：
如权利要求1至12中任一项所述的EPCS系统；
散射光偏振测定法(LSP)子系统，所述LSP子系统包含LSP光源系统、光学补偿器及LSP检测器系统，所述LSP检测器系统经由具有LSP耦合表面的LSP耦合棱镜与所述光学补偿器光学连通；
耦合棱镜组件，所述耦合棱镜组件包含棱镜支撑框，所述棱镜支撑框被配置以能操作地支撑所述EPCS耦合棱镜及所述LSP耦合棱镜，使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面基本上驻留在共同平面中；以及
支撑充气部，所述支撑充气部具有表面及测量孔，所述支撑充气部被配置以将所述CS基板支撑在所述测量孔处的测量平面处，并且将所述耦合棱镜组件能操作地支撑在所述测量孔处，使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面基本上驻留在所述测量平面中。
14.一种用于表征化学强化(CS)基板中的应力的倏逝棱镜耦合光谱术(EPCS)系统，所述CS基板具有顶部表面及近表面波导，所述EPCS系统包含：
a)EPCS光源系统，所述EPCS光源系统包含：
i)EPCS光源，所述EPCS光源发射多波长EPCS光束；
ii)光学滤波器组件，所述光学滤波器组件被配置以对所述多波长EPCS光束进行依序滤波，以形成具有不同滤波器波长的一系列经滤波的EPCS光束；
iii)光导组件，所述光导组件被配置以将所述一系列经滤波的EPCS光束作为导引光传送至聚焦光学系统，所述聚焦光学系统被配置成接收所传送的经滤波的EPCS光束且由此形成一系列经滤波且经聚焦的EPCS光束；
b)EPCS耦合棱镜，所述EPCS耦合棱镜与所述CS基板的所述表面形成EPCS耦合表面并且接收经聚焦的经依序滤波的EPCS光束并在所述EPCS耦合表面处将其耦合出所述近表面波导，以形成经反射且经依序滤波的EPCS光束，所述经反射且经依序滤波的EPCS光束包含所述近表面波导的针对至少第一滤波器波长及第二滤波器波长的至少第一模式频谱及第二模式频谱；以及
c)EPCS检测器系统，所述EPCS检测器系统包含：
i)至少一个可切换偏振滤波器，所述至少一个可切换偏振滤波器被配置以依序执行所述经反射且经依序滤波的EPCS光束的横向磁性(TM)及横向电(TE)偏振滤波以形成至少第一及第二经TM及TE反射且经依序滤波的EPCS光束，所述至少第一及第二经TM及TE反射且经依序滤波的EPCS光束分别包含所述近表面波导在所述至少第一及第二波长下的第一及第二TM及TE模式频谱；以及
ii)至少第一及第二EPCS数字检测器，所述至少第一及第二EPCS数字检测器被配置以分别检测所述至少第一及第二经TM及TE反射且经依序滤波的EPCS光束以捕获所述近表面波导的所述第一及TM及TE模式频谱的相应的至少第一及第二TM及TE图像。
15.如权利要求14所述的EPCS系统，其中所述至少第一及第二EPCS数字检测器沿着相应的至少第一及第二检测器轴线驻留，并且其中所述至少一个可切换偏振滤波器包括分别沿着所述至少第一及第二检测器轴线配置且在所述第一及第二EPCS数字检测器中的对应一者上游的至少第一及第二可切换偏振滤波器。
16.如权利要求14或15所述的EPCS系统，其中所述CS基板包含玻璃材料、玻璃陶瓷材料或结晶材料，并且其中所述CS基板的近表面波导由近表面尖峰区及深部区限定。
17.如权利要求14至16中任一项所述的EPCS系统，其中所述光导组件包含具有输出端的光导，所述EPCS检测器系统包含入射光瞳，并且其中所述光导的所述输出端成像至所述入射光瞳上。
18.一种用于表征化学强化(CS)基板中的应力的系统，所述CS基板具有顶部表面及近表面波导，所述系统包含：
如权利要求14至17中任一项所述的EPCS系统；
散射光偏振测定法(LSP)子系统，所述LSP子系统包含LSP光源系统、光学补偿器及LSP检测器系统，所述LSP检测器系统经由具有LSP耦合表面的LSP耦合棱镜与所述光学补偿器光学连通；
耦合棱镜组件，所述耦合棱镜组件包含棱镜支撑框，所述棱镜支撑框被配置以能操作地支撑所述EPCS耦合棱镜及所述LSP耦合棱镜，使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面基本上驻留在共同平面中；以及
支撑充气部，所述支撑充气部具有表面及测量孔，所述支撑充气部被配置以将所述CS基板支撑在所述测量孔处的测量平面处，并且将所述耦合棱镜组件能操作地支撑在所述测量孔处，使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面基本上驻留在所述测量平面中。
19.一种用于表征化学强化(CS)基板中的应力的倏逝棱镜耦合光谱术(EPCS)系统，所述CS基板具有顶部表面及近表面波导，所述EPCS系统包含：
a)EPCS光源系统，所述EPCS光源系统包含：
i)EPCS光源，所述EPCS光源发射包括多个波长的多波长EPCS光束；
ii)光导组件，所述光导组件将来自所述EPCS光源的所述多波长EPCS光束传送至一聚焦光学系统，所述聚焦光学系统被配置成接收所述多波长EPCS光束且形成经聚焦的多波长EPCS光束；
b)EPCS耦合棱镜，所述EPCS耦合棱镜与所述CS基板的所述表面形成EPCS耦合表面并且接收所述多波长EPCS光束，并在所述EPCS耦合表面处将其耦合至所述近表面波导中及耦合出所述近表面波导，以形成经反射的多波长EPCS光束，所述经反射的多波长EPCS光束包含所述近表面波导的针对所述多波长EPCS光束的对应多个波长的模式频谱；以及
c)EPCS检测器系统，所述EPCS检测器系统包含：
i)可切换偏振滤波器，所述可切换偏振滤波器能操作地设置以接收所述经反射的多波长EPCS光束且依序形成经横向磁性偏振的(TM)多波长EPCS光束及经横向电偏振的(TE)多波长EPCS光束。
ii)光学滤波器组件，所述光学滤波器组件能操作地设置以在两个或两个以上滤波器波长下对所述TM及所述TE多波长EPCS光束进行依序滤波以形成两个或两个以上经依序滤波的TM及TE EPCS光束，所述两个或两个以上经依序滤波的TM及TE EPCS光束分别包含两个或两个以上滤波器波长的TM及TE模式频谱；
iii)EPCS数字检测器，所述EPCS数字检测器被配置以依序检测所述经依序滤波的TM及TE EPCS光束，以依序捕获所述近表面波导在所述两个或两个以上滤波器波长下的相应TM及TE模式频谱的TM及TE图像。
20.如权利要求19所述的EPCS系统，其中所述CS基板包含玻璃材料、玻璃陶瓷材料或结晶材料，并且其中所述CS基板的近表面波导由近表面尖峰区及深部区限定。
21.如权利要求19或20所述的EPCS系统，其中所述光导组件包含具有输出端的光导，所述EPCS检测器系统包含入射光瞳，并且其中所述光导的所述输出端由聚焦光学系统成像至所述入射光瞳上。
22.一种用于表征化学强化(CS)基板中的应力的系统，所述CS基板具有顶部表面及近表面波导，所述系统包含：
如权利要求19至21中任一项所述的EPCS系统；
散射光偏振测定法(LSP)子系统，所述LSP子系统包含LSP光源系统、光学补偿器及LSP检测器系统，所述LSP检测器系统经由具有LSP耦合表面的LSP耦合棱镜与所述光学补偿器光学连通；
耦合棱镜组件，所述耦合棱镜组件包含棱镜支撑框，所述棱镜支撑框被配置以能操作地支撑所述EPCS耦合棱镜及所述LSP耦合棱镜，使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面基本上驻留在共同平面中；以及
支撑充气部，所述支撑充气部具有表面及测量孔，所述支撑充气部被配置以将所述CS基板支撑在所述测量孔处的测量平面处，并且将所述耦合棱镜组件能操作地支撑在所述测量孔处，使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面基本上驻留在所述测量平面中。
23.一种执行用于表征化学强化(CS)基板中的应力的倏逝棱镜耦合光谱术的方法，所述CS基板具有顶部表面及近表面波导，所述方法包含：
a)形成具有多个波长的多波长EPCS光束；
b)对所述EPCS多波长光束进行依序滤波，以形成一系列经滤波的EPCS光束，所述一系列经滤波的EPCS光束各自具有多个波长中的不同波长；
c)将所述一系列EPCS经滤波的光束穿过光导传送至聚焦光学系统以形成一系列经聚焦的EPCS经滤波的光束；
d)将所述一系列经聚焦的经滤波的EPCS光束引导至EPCS耦合棱镜，所述EPCS耦合棱镜与所述CS基板的所述表面形成EPCS耦合表面并且接收所述一系列经滤波的EPCS光束，并在所述EPCS耦合表面处将其耦合至所述近表面波导中及耦合出所述近表面波导，以形成一系列经反射且经滤波的EPCS光束，所述一系列经反射且经滤波的EPCS光束分别包含所述近表面波导在多个波长中的一者下的模式频谱；
e)对所述经反射且经滤波的EPCS光束中的每一者进行依序偏振，以针对每一经反射且经滤波的EPCS光束形成经横向磁性(TM)滤波且经反射的EPCS光束及经横向电(TE)滤波且经反射的EPCS光束；以及
f)依序数字检测所述经TM滤波且经反射的EPCS光束及所述经TE滤波且经反射的EPCS光束，以依序捕获所述近表面波导的针对不同的多个波长的相应TM及TE模式频谱的TM及TE图像。
24.如权利要求23所述的方法，进一步包括处理相应TM及TE模式频谱的依序捕获的TM及TE图像以表征所述CS基板的至少一个应力相关性质。
25.如权利要求23或24所述的方法，其中所述依序滤波包含使所述多波长光束穿过由过滤器轮支撑的光学滤波器组件。
26.如权利要求23至25中任一项所述的方法，其中每一光学滤波器组件包含光学滤波器及校正构件，所述校正构件被配置以校正基于波长的聚焦误差。
27.如权利要求23至26中任一项所述的方法，其中依序偏振包含使所述经反射且经滤波的EPCS光束穿过带磁性的偏振晶体，所述偏振晶体呐能操作地连接至偏振控制器。
28.如权利要求23至27中任一项所述的方法，其中所述CS基板包含玻璃材料、玻璃陶瓷材料或结晶材料，并且其中所述CS基板的近表面波导由近表面尖峰区及深部区限定。
29.如权利要求23至28中任一项所述的方法，其中依序数字检测所述经TM及TE滤波的且经反射的EPCS光束是使用单个EPCS数字检测器来执行的。
30.如权利要求23至29中任一项所述的方法，其中依序数字检测所述经TM及TE滤波的且经反射的EPCS光束是使用单个EPCS数字检测器来执行的，所述EPCS数字检测器使用双色镜在空间上分离。
31.如权利要求23至30中任一项所述的方法，其中所述光导具有输出端，所述一系列经反射的经滤波的EPCS光束是由EPCS检测器系统接收并处理，所述EPCS检测器系统具有入射光瞳，并且其中所述光导的所述输出端由聚焦光学系统成像至所述入射光瞳上。
32.一种用于表征化学强化(CS)基板中的应力的光散射偏振测定法系统，所述CS基板具有主体、表面及形成于所述主体内的近表面波导，所述LSP系统包含：
a)LSP光源系统，所述LSP光源系统沿着第一系统轴线按次序包含：
i)激光二极管，所述激光二极管发射LSP光束，所述LSP光束具有至少1微瓦的功率且以405纳米的波长为中心；
ii)快门系统，所述快门系统被配置成周期性地阻挡所述LSP光束；
iii)可旋转半波片；
iv)第一固定偏振器；
(v)第一聚焦透镜；
(vi).光漫射器；
(vii).第二聚焦透镜
b)光学补偿器，所述光学补偿器被配置在所述LPS光源下游且被配置为对所述LSP光束施加时变偏振，所述光学补偿器沿着所述系统轴线按次序包含：
i)偏振分束器，所述偏振分束器被配置成接收来自所述LSP光源的所述LSP光束且沿着所述第一系统轴线传输所述LSP光束的第一部分且沿着光谱仪轴线引导所述LSP光束的第二部分；
ii)光谱仪，所述光谱仪沿着所述光谱仪轴线布置且被配置成接收所述LSP光束的所述第二部分并对其进行光谱处理；
iii)第二固定偏振器；
iv)可变偏振器，所述可变偏振器对所述LSP光束施加所述时变偏振以形成经时变偏振的LSP光束；
c)轴向可移动聚焦透镜，所述轴向可移动聚焦透镜被布置在所述光学补偿器下游且被配置以接收并聚焦所述经时变偏振的LSP光束形成经聚焦的经时变偏振的LSP光束；
d)LSP耦合棱镜，所述LSP耦合棱镜与所述CS基板的表面交界以形成LSP耦合界面，其中所述经聚焦的经时变偏振的LSP光束聚焦于所述LSP耦合界面处，以从所述CS基板的所述主体内的应力诱发特征产生散射光；
e)LSP检测器系统，所述LSP检测器系统配置在所述LSP耦合棱镜下游且被配置成接收所述散射光，所述LSP检测器系统包含：
i)LSP数字检测器；以及
ii)收集光学系统，所述收集光学系统收集所述散射光并将其引导至所述LSP数字检测器以在所述数字检测器处形成LSP图像。
33.如权利要求32所述的LSP系统，其中所述可变偏振器包含液晶可变延迟片(LCVR)，所述LCVR能操作地连接至偏振控制器。
34.如权利要求32或33所述的LSP系统，其中所述LCVR与温度控制器可操作地连通，所述温度控制器将所述LCVR维持在所选温度范围内。
35.如权利要求34所述的LSP系统，其中所选温度范围为35℃与40℃之间。
36.如权利要求32至35中任一项所述的LSP系统，其中所述轴向可移动聚焦透镜包含由透镜支撑件支撑的透镜元件，并且其中所述透镜支撑件机械附接至线性电机。
37.如权利要求32至36中任一项所述的LSP系统，其中所述LSP光束具有至少10微瓦的功率。
38.如权利要求32至37中任一项所述的LSP系统，其中所述LSP光束具有至少50微瓦的功率。
39.一种用于表征化学强化(CS)基板中的应力的系统，所述CS基板具有顶部表面及近表面波导，所述系统包含：
如权利要求32至38中任一项所述的LSP系统；
倏逝棱镜耦合光谱术(EPCS)子系统，所述EPCS子系统包含经由具有EPCS耦合表面的EPCS耦合棱镜来光学连通的EPCS光源系统及EPCS检测器系统；
耦合棱镜组件，所述耦合棱镜组件包含棱镜支撑框，所述棱镜支撑框被配置以能操作地支撑所述EPCS耦合棱镜及所述LSP耦合棱镜，使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面基本上驻留在共同平面中；以及
支撑充气部，所述支撑充气部具有表面及测量孔，所述支撑充气部被配置以将所述CS基板支撑在所述测量孔处的测量平面处，并且将所述耦合棱镜组件能操作地支撑在所述测量孔处，使得所述EPCS耦合表面及所述LSP耦合表面基本上驻留在所述测量平面中。
40.一种执行光散射偏振测定法LSP)以表征CS基板中的应力的方法，所述CS基板具有主体、表面及近表面波导，所述近表面波导在所述主体内形成应力相关特征，所述方法包含：
从激光二极管产生光束，所述激光二极管具有至少1微瓦的输出功率及405nm的中心波长；
将所述光束的第一部分引导至光谱仪以测量所述光束的波长及所述光束中的功率量；
使用温控式液晶可变延迟片LCVR)对所述光束的第二部分施加时变偏振以形成经时变偏振的光束；
将所述经时变偏振的光束聚焦至由与所述CS基板的所述表面交界的耦合棱镜形成的耦合表面上以从所述CS基板的所述主体内的所述应力相关特征形成散射光；以及
将所述散射光引导至数字检测器以在所述数字检测器处捕获LSP图像。
41.如权利要求40所述的方法，其中所述CS基板的所述主体由玻璃材料制成。
42.如权利要求40或41所述的方法，进一步包括将所述LCVR维持在处于35℃至40℃范围内的温度。
43.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述经时变偏振的光束沿循穿过所述CS基板的所述主体的光束路径，且进一步包括通过以下步骤来估计所述光束的光束中心：
针对沿着所述光束路径进入所述CS基板的所述主体中的所选深度对所述散射光执行倾斜高斯拟合以限定第一组光束中心；以及
穿过所述第一组光束中心拟合第一线以限定第一拟合线。
44.如权利要求40至43中任一项所述的方法，进一步包括通过以下步骤估计所述经时变偏振的光束的中心点：穿过第二组光束中心拟合第二线以限定第二拟合线，以及识别所述中心点，所述第一拟合线及所述第二拟合线在所述中心点处交叉。
45.如权利要求40至44中任一项所述的方法，其中所述经时变偏振的光束沿循穿过所述CS基板的所述主体的光束路径，并且进一步包括通过以下步骤确定所述经时变偏振的光束进入所述CS基板的入口点：
沿着所述第一拟合线及所述第二拟合线中的一者识别所述LSP图像的边缘强度分布，其中边缘强度从最大值IMAX转变成表示背景强度值的最小值IMIN；以及
确定介于所述最大强度值IMAX与所述最小强度值IMIN中间的半最大强度值I1/2及限定所述入口点处于所述半最大强度值I1/2处。
46.如权利要求40至45中任一项所述的LSP系统，其中所述LSP光束具有至少10微瓦的功率。
47.如权利要求40至46中任一项所述的LSP系统，其中所述LSP光束具有至少50微瓦的功率。
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