CN117321397A - 用于改进的光散射偏振测量的光源强度控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开使用光散射偏振测量系统[200]对化学强化玻璃[10]执行应力测量的系统及方法，所述方法包括：使用可旋转半波片[500]及第一偏振器[600]调整来自照明系统[210]中的光源[212]中的光束[216]的强度，所述可旋转半波片[500]及所述第一偏振器[600]可操作方地放置于所述光源与具有旋转时间t_R的旋转光漫射器[222]之间。所述第一偏振器通过将所述可旋转半波片旋转至与下游光学补偿器[230]中的第二偏振器[232]对准的位置[P]以具有匹配的偏振方向，在所述位置[P]处，所述曝光时间t E落入曝光范围t_R≤t_E内。所述方法还包括使用所述曝光时间t_E执行曝光以获得所述应力测量。所述半波片及所述第一偏振器中的一者或两者可被倾斜以避免有害的背向反射的光[R1,R2,R3,R4]进入所述光源。

Description

用于改进的光散射偏振测量的光源强度控制系统和方法

本申请案要求于2021年4月1日提交的美国临时申请序列第63/169,466号的优先权权益，本发明基于所述临时申请的内容并且所述临时申请的内容通过引用以其整体并入本文。

本发明涉及用以测量玻璃中的应力的光散射偏振测量系统，并且具体地涉及用于控制光散射偏振测量系统中光源的强度以在一系列不同类型的化学强化玻璃上实现改进的应力测量的系统及方法。

背景技术

化学强化(chemically strengthened，CS)玻璃通过使玻璃经受化学改性以改进至少一个强度相关特性(诸如硬度、抗碎裂性等)来形成。CS玻璃具有已发现的作为用于显示器类电子装置(特别是诸如智能电话及平板计算机的手持型装置的覆盖玻璃)的特定用途。一种形式的化学强化涉及使玻璃中的离子与外部离子交换，且此工艺在此项技术中被称作离子交换或简称为IOX。

化学强化工艺将应力引入至CS玻璃中。应力致使CS玻璃具有增强的强度相关性质，诸如增大的硬度及更大的抗碎裂性。因此，制造CS玻璃的重要方面为将CS玻璃中的应力表征为确保最佳量或选择量的应力被引入至CS玻璃中，使得CS玻璃具有最佳或选择的强度相关性质。

一种类型的玻璃应力测量方法被称作光散射偏振测量或简称为LSP。在LSP系统中，CS玻璃通过耦合棱镜以相对浅的角度由输入激光辐照。激光偏振使用光学补偿器在不同偏振状态之间连续地发生变化。散射光由图像传感器来检测。CS玻璃中的应力引起沿着光学路径的光延迟(optical retardation)，其中应力量与光延迟的导数成比例。光延迟的量可自沿着射束路径的每一深度处所检测散射光强度散布的应力诱发相移来确定。LSP方法可用于测量某些应力相关性质，诸如中心张力(central tension，CT)及压缩深度(depthof compression，DOC)。LSP系统的示例与倏逝棱镜耦合光谱学(evanescent prismcoupling spectroscopy，EPCS)系统以形成如美国专利申请第63/152,021号中公开的混合式玻璃应力测量系统，所述申请在2021年2月22日提交且以引用方式并入本文。混合式系统具有如下优势：使得互补的两种不同类型的应力测量成为可能，从而导致CS玻璃的应力性质(例如，表面应力、近表面压缩应力分布、膝部应力、层深度、中心张力、压缩深度等)更完整且准确的表征。

LSP系统用以测量具有不同量的光散射的不同CS玻璃类型。当存在具有固定积分时间的单个光传感器且当光源强度不可被控制以提供用于测量给定CS玻璃类型的应力的最佳量的光时，就会出现问题。此情形导致不同类型的CS玻璃类型的不一致的应力测量及应力表征准确度。

发明内容

本公开的实施例涉及一种使用LSP系统对化学强化玻璃执行应力测量的方法，所述LSP系统具有发射光束的光源系统、光学补偿器及具有积分时间t_I的数字检测器，所述方法包含以下步骤：a)通过将第一偏振器与所述光学补偿器中的第二偏振器对准以具有匹配偏振方向来使用可操作地设置在所述光源与旋转光漫射器之间的可旋转半波片及所述第一偏振器来调整光束的强度，所述旋转光漫射器具有旋转时间t_R，通过旋转所述可旋转半波片至曝光时间t_E落入曝光范围t_R≤t_E内的位置来实现所述对准；b)使用所述曝光时间t_E执行曝光以获得所述应力测量。

本公开的另一实施例包含上述方法，其中所述化学强化玻璃包含具有第一量的光散射的第一化学强化基板，且进一步包含以下步骤：用具有第二量的光散射的第二化学强化基板替换所述LSP系统中的所述第一化学强化基板，所述第二量的光散射不同于所述第一量的光散射相差至少2倍；以及对所述第二化学强化基板重复操作a)及b)。

本公开的另一实施例包含以上方法中的任一者，其中所述调整包含测量由所述数字检测器捕获的LSP图像的强度分布的对比度。

本公开的另一实施例包含以上方法中的任一者，其中所述曝光时间t_E在5ms与10ms之间。

本公开的另一实施例包含以上方法中的任一者，其中所述光源系统包含所述光束沿其行进的轴线，其中所述可旋转半波片及所述偏振器形成来自所述光束的背向反射的光，且进一步包含以下步骤：可操作地将所述可旋转半波片及第一偏振器中的至少一者相对于所述轴线倾斜以避免将所述背向反射的光引导至所述光源。

本公开的另一实施例包含以上方法中的任一者，其中背向反射的光被引导至一个或多个光吸收器。

本发明的另一实施例包含以上方法中的任一者，其中所述可旋转半波片具有相对于轴线的倾斜角度θ_WP，所述倾斜角度θ_WP在10°≤θ_WP≤20°的范围内。

本公开的另一实施例包含以上方法中的任一者，其中所述偏振器具有相对于轴线的倾斜角度θ_P，所述倾斜角度θ_P在5°≤θ_P≤10°的范围内。

本公开的另一实施例包含以上方法中的任一者，其中所述光源包含激光二极管，所述激光二极管具有在20与300毫瓦的范围内的光学功率。

本公开的另一实施例包含以上方法中的任一者，其中旋转光漫射器包含全息光漫射器。

本公开的另一实施例包含以上方法中的任一者，其中第二偏振器包含偏振分束器。

本发明的另一实施例包含以上方法中的任一者，进一步包含通过可操作地支撑所述可旋转半波片的电动安装架旋转所述可旋转半波片。

本公开的另一实施例包含以上方法中的任一者，其中所述旋转所述可旋转半波片是利用控制器进行的，所述控制被配置为自动操作所述电动安装架

本公开的另一实施例包含以上方法中的任一者，其中半波片包含聚合物材料。

本公开的另一实施例包含以上方法中的任一者，且进一步包含以下步骤：在数字检测器上形成所述化学强化玻璃的数字LSP图像，所述数字检测器具有饱和度限值且包含具有如由所述数字LSP图像限定的对应像素强度的像素；并且其中所述调整所述光束的所述强度包含将所述像素强度限于所述饱和限值的25％与75％之间。

本公开的另一实施例涉及一种在用于测量化学强化玻璃中的应力的LSP系统中提供光强度控制的照明系统，所述照明系统与补偿器及具有积分时间t_I的数字检测器光学通信。所述照明系统包括沿着轴线依次排列的如下部件：光源，以第一强度沿着所述轴线发射光束；可旋转半波片；具有第一偏振方向的第一偏振器，所述第一偏振方向与所述光学补偿器中第二偏振器的第二偏振方向对准；可旋转光漫射器，具有旋转时间t_R；且其中所述可旋转半波片被设定为处于旋转角度，使得离开所述第一偏振器且入射到所述可旋转光漫射器上的所述光束具有低于所述第一强度的第二强度，使得所述LSP系统对于所述CS玻璃具有曝光时间t_E以测量所述CS玻璃中的所述应力，所述曝光时间落入曝光范围内，t_R≤t_E内。

如上文描述的照明系统的照明系统，其中所述可旋转半波片及所述偏振器形成背向反射的光，且其中所述可旋转半波片及所述偏振器中的至少一者相对于所述轴线可操作地倾斜以将所述背向反射的光引导至所述光源。

如上述照明系统中任一项的照明系统，其中所述可旋转半波片具有相对于所述轴线的倾斜角度θ_WP，所述倾斜角度θ_WP在10°≤θ_WP≤20°的范围内。

如上述照明系统中任一项的照明系统，其中所述偏振器具有相对于所述轴线的倾斜角度θ_P，所述倾斜角度θ_P在5°≤θ_P≤10°的范围内。。

如上述照明系统中任一项的照明系统，其中背向反射的光被引导至一个或多个光吸收器。

如上述照明系统中任一项的照明系统，其中所述曝光时间t_E是在5ms与10ms之间。

如上述照明系统中任一项的照明系统，其中所述光源包含激光二极管，所述激光二极管具有在20与300毫瓦的范围内的光学功率。

如上述照明系统中任一项的照明系统，其中光漫射器包含全息光漫射器。

如上述照明系统中任一项的照明系统，其中第二偏振器包含偏振分束器。

如上述照明系统中任一项的照明系统，进一步包含以旋转方式支撑所述可旋转半波片的一可旋转电机安装架。

如上述照明系统中任一项的照明系统，进一步包含控制器，所述控制器被配置为自动地操作所述可旋转电动安装架。

如上述照明系统中任一项的照明系统，其中所述半波片包含聚合物材料。

如上述照明系统中任一项的照明系统，进一步包含光学补偿器。

附加特征及优势在以下具体实施方式中阐述，且描述内容对于本领域普通技术人员将为显而易见，或通过实践如所撰写的说明书和权利要求以及附图中描述的实施例来认识。应理解，前文大致描述内容及以下具体实施方式两者仅为示例性的，旨在提供综述或框架以理解权利要求的本质及性质。

附图说明

附图被包括以提供进一步的理解。附图并入本说明书中且构成本说明书的部分。附图示出一个或多个实施例，且与具体实施方式一起用来解释各种实施例的原理及操作。因此，本公开将结合附图自以下具体实施方式来更充分地理解：

图1为具有光源系统的示例LSP系统的示意图，所述光源系统包括漫射器上游且可操作地安置于激光光源与第一聚焦透镜之间的旋转半波片及偏振器。

图2A为图1的LSP系统的光源系统的特写视图。

图2B为示例可旋转半波片的前视图，其示出了可旋转波片相对于光源系统中的参考位置的半波片角度φ的测量。

图3及图4为来自不同检视定向的图1的示例LSP系统的额外示意图。

图5为如形成于LSP系统的数字检测器上的特性X形LSP图像的示意图。

图6为在无光漫射器(圆)但有光漫射器(正方形)情况下示例LSP图像的整合强度I(φ)(任意单位(arbitrary units,a.u.))与半波片(且在光源系统中无偏振器情况下)的半波片角度φ(度)的曲线图。

图7A及图7B为使用如上文所描述的光源系统但无偏振器的LSP系统，在以45度为间隔的半波片的两个定向下获得的示例玻璃陶瓷基板的示例LSP图像。

图8A及图8B类似于图7A及图7B，且为使用如上文所描述的包括半波片及偏振器的光源系统，在以45度为间隔的半波片的两个定向下获得的示例玻璃陶瓷基板的LSP图像，。

图8C类似于图7A及图8A，其针对不具有与CS玻璃陶瓷基板一样多的光散射的示例CS基板的，并且示出了中心光点或“火球”以及线图像的明亮端部。

图9为基于示例LSP图像的整合强度I(φ)(任意单位与光源系统中半波片的半波片角度φ(度)的曲线图，其基于对各种半波片角度φ使用50-mW激光源收集的数据，其中曲线图示出了由于背向反射，与因变于半波片角度φ的对比度的模型预测的实质偏差，其中虚线示出了在没有背向反射的情况下理想或预期的峰及谷。

图10类似于图2A，并且示出了光源系统的实施例，其中可旋转半波片及偏振器相对于轴线A1倾斜。

图11为图10的光源系统的倾斜半波片组件的特写视图。

图12为图10的光源系统的倾斜偏振器的特写视图。

图13为在半波板和偏振片均未倾斜(三角形，曲线A)、仅半波板倾斜(曲线B)和两者均倾斜(曲线C)配置下输出光学功率P(毫瓦，mW)与半波片角度φ(度)的曲线图。

图14为与图13中的曲线相同的曲线，但是针对聚合物基半波片而非图13的石英基半波片。

图15类似于图9，但其中半波片及偏振器两者在光源系统中可操作地倾斜。

具体实施方式

现详细参看本公开的各种实施例，其示例在附图中示出。只要有可能，贯穿附图相同或类似附图标记及符号指相同或类似部件。附图不必按比例绘示，且本领域技术人员将认识到附图已经简化以图示本公开的关键方面。

笛卡尔坐标为了参考用于一些附图中，且并非旨在限制为方向和/或定向。

缩写形式μm表示微米(micron或micrometer)，微米是10^-6米。

缩写形式nm表示纳米，纳米是10^-9米。

本文中使用的术语“玻璃”包括常见玻璃、玻璃晶体或玻璃陶瓷。同样，术语“玻璃基板”可包括玻璃制品、玻璃件、玻璃组件等。在一些状况下，术语“玻璃陶瓷”使用以明确指示玻璃陶瓷基板、制品等。

缩写形式CS表示“化学强化”，除非以其他方式说明。

术语“上游”及“下游”指相对于光行进方向的位置，其中“A在B上游”是指光首先入射于A上且接着入射于B上，且其中“A在B下游”是指光首先入射于B上且接着入射于A上。

术语“透镜”如本文中所使用的可以是指光学组件集合或单个光学组件。同样，光学组件可为折射、反射、衍射组件等，除非另有特别说明。

光学系统的“光学路径”指由光通过光学系统从一个位置至另一位置行进的路径，且被视为如由其构成元件限定的光学系统的固有性质，即，即使在不存在行进通过光学系统的光时，光学路径仍存在。

如下文关于强度分布使用的术语“对比度”可表达为C＝[I _IMAX-I _MIN]/[I _IMAX+I_MIN]，其中I _IMAX及I _MIN为强度分布中的最大值及最小值。

在以下论述内容中，如结合可旋转半波片500及偏振器600所使用的术语“倾斜”是指可操作地倾斜，即以减小或消除不到达光源212的输出端面的背向反射的方式倾斜，如下文所论述的。

如下文关于旋转光漫射器所使用的旋转时间t _R是旋转光漫射器进行一个完整旋转花费的时间。

本文中描述的LSP系统还可被称作光散射偏振计。

对于本领域技术人员将显而易见的是，对如本文中所描述的本公开的优选实施例的各种修改可进行而不背离本公开的如随附权利要求中限定的精神或范围。因此，本公开涵盖所提供的修改及变化，所述修改及变化是在所附权利要求及其等效物的范围内。

LSP系统

图1为根据本公开的包括光源系统210的示例LSP系统200的示意图。图3及图4为来自不同检视定向的图1的示例LSP系统200的额外示意图。LSP系统200包括分别可被称作第一轴线及第二轴线或就是轴线A1及轴线A2的系统轴线A1及A2。

光源系统210包括发射在光学路径OPL上行进的光(或光束)216的光源212。在示例中，光源212由激光组成或包含激光。在示例中，光源212包含激光二极管，所述激光二极管在示例中进一步以λ＝405nm操作。示例激光二极管可产生范围为20mW至300mW的光学功率。波长λ可被称作LSP波长。光源系统210在下文更详细地描述。

LSP系统200还包括光学补偿器230，光学补偿器230驻留于光学路径OPL中且沿着(折叠)轴线A1在光源系统210下游。光学补偿器230包括可以是以偏振分束器PBS的形式的偏振器232。偏振器232具有偏振方向。光学补偿器230还包括半波片234H及四分的一波片234Q，波片中的一者可相对于另一者旋转以改变光束216的偏振的状态。在示例中，光学补偿器230可包含电子控制偏振调制器，诸如液晶类调制器或铁电液晶类调制器或类似调制器，其将构成或以其他方式包含光学补偿器230中的“偏振器”。

在示例中，光学补偿器230可操作地连接至控制器400(参见图3及图4)，控制器400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、滤光器、棱镜(例如，楔形棱镜)等。在示例中，光学补偿器230使得光束216在任何地方从小于1秒至10秒的时间通过全偏振循环(即，在两个或两个以上选择偏振之间改变)。在示例中，光学补偿器230可以可操作地接至系统控制器400，且由系统控制器400控制。聚焦透镜236在光学补偿器230下游驻留光学路径OPL中，且用以形成聚焦光束216F。光学补偿器230及聚焦透镜236构成光调制系统。

LSP系统200包括LSP耦合棱镜42，LSP耦合棱镜42驻留于聚焦透镜236下游。LSP耦合棱镜具有分别的输入表面43及输出表面44，及底部或“耦合”表面45。CS玻璃基板10的耦合表面45及顶表面12限定(LSP)耦合界面INT。在示例中，耦合界面INT包括折射率匹配流体5(参见图3)。CS玻璃基板10具有主体11，及与顶表面12相对的底表面14。

检测器系统240驻留于LSP耦合棱镜下游且沿着(第二)轴线A2上的光学路径OPL，轴线A2正交于(第一)轴线A1，即轴线A2驻留于Y-Z平面中。在示例中，检测器系统240包括收集光学系统243及数字检测器(例如，CDD相机)246。在示例中，收集光学系统243为远心的，且具有单位放大率。检测器系统240还可包括以LSP波长λ为中心的带通滤波器244。在图4中最佳可见的示例中，数字检测器246包含成像像素247的阵列，其在示例中可具有在1.8微米与10微米之间的尺寸。若曝光时间并未设定为与所接收信号的强度成比例，则数字检测器246经受传感器饱和，如下文所论述。

在LSP系统200的通用操作中，由聚焦透镜236形成的聚焦光束216F入射于LSP耦合棱镜42的输入表面43上且行进至耦合表面45，且接着行进通过折射率匹配的流体5且至CS基板10的顶表面12，以进入CS基板的主体11。聚焦光束216F在如由光学补偿器230限定的任何给定时间处都具有选择偏振。(偏振)输入聚焦光束216F由CS基板10的主体11中的粒子散射，以形成散射光束216S。散射光束216S脱离CS基板的顶表面12，回传通过耦合接口INT，且接着在输出表面44处脱离耦合棱镜42。散射光束216S行进至检测器系统240且由收集光学系统243导向至数字检测器246。散射光束216S在数字检测器246上形成LSP图像248，如图5的特写视图中所示出的。这限定数字LSP图像。LSP图像248被视为数字LSP图像，除非以其他方式说明。图5为示例LSP图像248的示意图，其示出了线图像LI由于散射光束216S从与界面INT相关联的不同界面的反射形成特性“X”形状，所述接口INT如由CS基板10、LSP耦合棱镜42及折射率匹配流体5限定。

CS玻璃基板10中的应力引起沿着CS玻璃基板的主体11内光学路径的光延迟，其中应力量与光延迟的导数成比例。光延迟的量可从沿着射束路径在每个深度处所检测的散射光强度分布(作为LSP图像248)上的应力诱发相移来确定。

光源系统

图2A为图1的LSP系统的光源系统210的特写视图。再次参看图1及图2A，光源系统210沿着轴线A1且从光源212下游包括：聚焦透镜220、可移动光漫射器222及准直透镜224。可移动光漫射器222可包含全息元件，所述全息元件被配置为在LSP波长λ下执行光漫射。在示例中，可移动光漫射器222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可以可选地用以将LSP系统200折叠以使得LSP系统200更紧凑。

光源系统210还包括可操作地布置在光源212与聚焦透镜220之间的可旋转半波片500及线性偏振器600，其中可旋转半波片驻留于线性偏振器上游。在使用偏振调制器时，偏振器600的偏振方向设定为与光学补偿器230中偏振器232的偏振方向(例如，偏振射束分裂器PBS)或更一般地光学补偿器自身的偏振匹配(即，处于同一方向)。可旋转半波片500具有前表面502及后表面504，而偏振器600具有前表面602及后表面604。可旋转半波片500由电动安装架510可操作地支撑，电动安装架510被配置为使半波片围绕旋转轴线AR旋转，所述旋转轴线AR在一个示例中平行于轴线A1且在下文论述的另一示例中是沿着倾斜方向，所述倾斜方向由相对于轴线A1测量的倾斜角度θ_WP限定。如图2B的正面视图中可清楚看出，可旋转半波片的旋转位置由如在LSP系统中的参考位置REF与半波片上位置p之间测量的方位(旋转)角度φ(下文中，半波片角度)限定。半波片500及电动安装架构成半波片组件501。在示例中，半波片组件501可操作地连接至系统控制器400且由系统控制器400控制，且系统控制器400可被配置为自动地控制半波片组件501。在示例中，系统控制器400被配置为响应于数字图像248的强度来调整半波片组件501。在示例中，电动安装架510包含高精度电机，所述高精度电机可以小的角度增量(例如小于1度的增量)使半波片500旋转。

在使用相干光源212时，光漫射器222的主要作用为减小由待测样本(例如，CS玻璃基板10或类似CS玻璃制品等)产生的激光散斑。散斑减小被需要以维持测量准确度及可靠性。然而，光漫射器222具有降低光强度(例如10％至20％)的不利影响，这取决于漫射角度、材料内应力诱发的双折射的量及材料透明度。这对于某些陶瓷玻璃类型(诸如玻璃陶瓷)通常来说不是问题，因为仅几瓦特的光学功率可产生足够的散射强度，使曝光时间t_E基本上低于非玻璃陶瓷样本(诸如不包括晶相的样本)可能需要的曝光时间。遗憾的是，光漫射器222还用以轻微减小通过光漫射器222的光216的偏振，而此轻微“去偏振”不利地影响由光学补偿器230中的偏振器促成的偏振对比度。

已发现，在固定光源强度下，不同CS玻璃类型会遭受的测量准确度问题，这是因为对于具有一个量的光散射的一种CS玻璃类型有效的光强度对于具有另一量的光散射的其他CS玻璃类型并不能始终有效。举例而言，在一些状况下，一种CS玻璃类型在LSP系统中具有光散射的量为另一玻璃类型的光散射的量的至少2倍。半波片500及偏振器600是一种高效、快速的方式，以在由光源212发射的光216光入射于光漫射器222上之前，基于正测量的CS玻璃类型控制光216的强度。这允许在针对正测量的给定CS玻璃基板10的交叉偏振下的数字检测器246处散射强度的完全减小，且通常为LSP系统200提供增加的灵活性以测量任一类型的CS玻璃，尤其当光源212具有相对高功率(诸如50至300mW的功率范围内的激光二极管)时。因此，在光源系统210的操作中，光源212自身具有固定强度，即，光源212不能被控制以提供不同输出强度的光束216。

图6为在无光漫射器222(圆)但有旋转光漫射器(正方形)的情况下，参考CS样本10的示例LSP图像248的整合强度I(φ)(任意单位(arbitrary units,a.u.))与半波片500并且无偏振器600的半波片角度φ(度)的曲线图。50-mW激光二极管用作光源212，且数字LSP图像248由检测器系统240在各种半波片角度φ下捕获。曲线示出了与旋转光漫射器222存在时的对比度比单独使用半波片500时下降1.7倍。

进一步的实验及模拟示出优选地配置具有驻留于偏振器600上游以控制光束216的强度的可旋转半波片500。在此配置下，光源212的偏振定向并不影响由光学补偿器230产生的强度范围，使得脱离光源系统210的光束216的强度可被设定以使CS基板10上的如由数字检测器246可见的焦点大小优化。此外，本文中所公开的光源系统210在可旋转半波片500的45度旋转情况下可循环通过光强度的完整范围(I _max至I _min)。

图7A及图7B示出了使用LSP系统200在以45度为间隔的半波片500的两个定向下获得的示例CS玻璃陶瓷基板10的LSP图像248，所述LSP系统200具有如上文所描述的光源系统210但无偏振器600。数字LSP图像248使用50-mW激光二极管作为光源212，使用10ms曝光针对示例玻璃陶瓷CS基板10进行捕获。仅利用如图7B中所示的半波片500不能获得全暗图像，其直接原因是光漫射器222的去偏振以及光216的强度对于正测量的CS玻璃基板过大。

图8A及图8B为与图7A及图7B中的CS玻璃陶瓷基板10相同的CS玻璃陶瓷基板10的LSP图像248，其使用如上文描述的包括半波片500及偏振器600的光源系统210在45度为间隔的的半波片500的两个定向下获得的，其中偏振器具有其偏振方向被设定以与光学补偿器230的偏振器232的偏振方向匹配。半波片角度φ被设定以获得如图8B中所示的使数字图像248的几乎完全强度减小的光216的强度。

在到达光漫射器222之前控制光216的强度(或光学功率)的方面是为每种不同类型的所测量CS玻璃基板10提供大体上相同的曝光时间t_E。限定曝光时间t_E的下限为针对漫射器222的一个旋转的经过时间t_R(即，旋转时间)，如下文详细地解释。此处，光漫射器222必须是足够移动(例如，旋转、振荡、震动、平移等)的，以使通过光漫射器的光束216的强度变化平滑。

举例而言，考虑使用曝光时间t_E＝10ms来测量玻璃-陶瓷CS基板10中的应力。因为玻璃陶瓷具有相对高的光散射，所以此曝光时间将使检测器饱和而结束，因此对于50mW激光二极管光源212将需要更短曝光时间t _E(例如，短于1ms)。但如此短的曝光时间t_E可能不允许光漫射器222依据旋转时间t_R的足够移动。光漫射器透射的空间变化导致的光束216的强度变化可能不平滑且因此有害地影响应力测量的准确度。这种不准确度由漫射器旋转自身的成像引起的，这会导致整个测量的随机强度变化。在示例中，曝光时间t_E必须超出光漫射器222的1个旋转的旋转时间t_R。在t_E＝10ms的示例中，对于10,000rpm的示例漫射器旋转，一个旋转将花费t_R＝6.02ms。在此状况下，理论上最小曝光t_E为6.02ms，即满足条件t_R≤t_E。使用t_E＝10ms，漫射器将每次曝光旋转1.66次。

此外，光漫射器222必须能够以足够的速度移动，从而能够实质减小LSP图像248中的散斑效应。使用半波片500及偏振器600调整光束216的强度，以实现曝光时间t_E等于或高于漫射器的所经过的旋转时间，同时还提供良好消光(参见图8B)，该良好消光允许广泛范围的CS玻璃能够以合适光对比度和散斑控制在LSP系统200中被测量，并且在不同CS玻璃类型的测量之间具有最小的延迟和工作量。

理论上，不存在曝光时间t_E的上限，但实际上需要曝光时间t_E足够小以避免LSP系统200的长测量循环时间，这是由于此类系统在为CS玻璃形成的过程控制设定的制造中使用。举例而言，在t_E＝10ms情况下，总测量循环时间为约8秒。

在示例中，校准步骤被执行以确保数字检测器246中的没有像素247是饱和的。这是基于256个值的常规像素亮度等级，例如自0(最暗)直至255(最亮)。在此示例中，255的像素强度表示饱和度限值。事实证明，通常存在避免检测器(像素)饱和的小范围的半波片角度(位置)φ。在示例中，沿着射束路径的像素强度施加选定范围。举例而言，最大像素强度不能大于数字检测器246的饱和度限值的75％，且最小像素强度不能低于饱和度限值的25％。仍将存在小范围的半波片角度φ(即，位置)以供选择，但并不影响应力测量结果的质量。此方法对于玻璃陶瓷及类似高散射玻璃特别有用，其中构成LSP图像的线图像散布开来使得在棱镜-样本界面处不存在可见“火球”。这是因为玻璃陶瓷的体积性质会由于界面处的轻微折射率失配而引起相较于典型菲涅反射更大的散射。

图8C类似于图7A，但示出了相对低散射CS玻璃基板10的示例LSP图像248，其中LSP图像的中心处存在热斑(亮斑)或“火球”，且交叉线图像LI的末端是最明亮的。如果我们将交叉LSP图像的左下支脚视为感兴趣的散射光束，则可以说存在两个火球，一个火球在棱镜-玻璃界面处且另一火球在玻璃-空气界面INT的交叉中间。在此情形下，方法寻求避免沿着射束路径的像素饱和，并且远离“火球”或LSP图像热斑。在此状况下，半波片位置的条件将与为玻璃陶瓷设定的那些条件有略微不同，但设定半波片500及偏振器600的通用方法仍适用。

减轻背向反射至光源中的不利影响

当来自光源212的光束216以法相入射到达半波片500时，光束的一部分会从半波片的前表面502及后表面504两者朝向光源背向反射。同样，法向入射于偏振器600上的光束216的一部分会从偏振器的前表面602及后表面604朝向光源212背向反射。当光源212包含激光时，该背向反射的光可引起频率及功率波动，此是由于半波片500及偏振器600充当激光器的外部腔导致激光模中的一些模共享增益媒介，从而导致光学功率的下降。

图9为示例LSP图像248的整合强度I(φ)(任意单位(arbitrary unit,a.u.))与半波片500的半波片角度φ(度)的曲线图，其基于使用LSP系统200中的50-mW激光以各种半波片旋转角度φ对示例CS基板10所收集的数据。图9的曲线图示出，因变于半波片角度φ的对比度的模型预测存在很大偏差，其中虚线示出了背向反射不存在情况下的理想或预期峰值和谷值(最大、最小)强度。除了背向反射造成的强度波动外，曲线中的峰值及谷值并不与对应的理想半波片角度对齐，这使得难以准确且可重复地获得各种玻璃类型的LSP测量的适当强度级。此外，对比度图案随着光源212的定向而改变，这使得不同LSP系统的可重复性更难以实现。

图10类似于图2A，且示出了光源系统210的实施例，其中可旋转半波片500及偏振器600相对于轴线A1分别倾斜达倾斜角度θ_WP及θ_P，如分别在图11及图12的特写视图中清晰可见的。可旋转半波片500及偏振器600的表面法线分别由n_HW及n_p指示。

参照图10，从半波片500的前表面502及后表面504反射的光束216(即，背向反射的光束)被指示为R1及R2，且相对于轴线A1具有反射角度θ₁＝2θ_WP。同样，从偏振器600的前表面602及后表面604背向反射的光束被标注为R₃及R₄，且相对于轴线A1具有反射角度θ₂＝2θ_P。倾斜角度θ_WP及θ_P被选择为使得各个背向反射的光束R1、R2及R3、R4并不进入光源212的前端。由于偏振器600更远离光源212，因此其倾斜角度θ_P可小于半波片倾斜角度θ_WP。用于光源系统210的一个示例配置的示例倾斜角度为θ_WP＝15°及θ_P＝7.5°。此类倾斜角度的示例角度范围可为10°≤θ_WP≤20°且5°≤θ_P≤10°，其中精准角度值由光源系统210的特定几何形状来限定。在示例中，光吸收器700可用以在光束R1至R4可从表面反射之前拦截并吸收反射光束R1至R4，诸如在用以紧固光源系统210的各种光学及机械组件的安装导管(未图示)内部。

图13为输出光学功率p(毫瓦，mW)与在半波片500及偏振器600都不倾斜(三角形，曲线A)、仅半波片倾斜(曲线B)、以及半波片及偏振器都倾斜(曲线C)的配置下的半波片角度θ(度)的曲线图。图13的曲线图所示，当半波片及偏振器垂直于轴线A1时，对反射光216的输出激光学功率的不利影响最大(曲线A)。如本文中所利用的，“轴线”通常指光束正行进的方向上的光轴，除非以其他方式指示。当半波片500被布置为具有倾斜角度θ_WP＝15°且偏振器600维持其法向定向(即，θ_P＝0°)时，输出光学功率P增大约50％。这由曲线B示出，其中所测量的绝对最大功率P保持低于10mW，这说明来自偏振器600本身的背向反射不利地影响总体激光强度/功率。偏振器600接着被给定倾斜角度θ_P＝7.5°，使得背向反射R3及R4被导向远离激光光源212的前端。在半波片500及偏振器600两者可操作地相对于轴线A1倾斜的情况下重复测量输出光学功率P，导致最大激光强度大幅跃升至约20mW，同时最小可实现强度保持高于5mW，如曲线C中所示。半波片还具有快轴和慢轴，当半波片倾斜时快轴和慢轴的对准可产生迟滞效应，且迟滞效应可防止实现线性偏振。在实施例中，半波片可被设计和配置为使得旋转轴线对于快轴和慢轴处于45°，从而在倾斜情况下使迟滞的改变最小化。

在图13的曲线中不能到达接近0mW的最小功率/强度值归因于在实验中使用的特定石英半波片500对入射光束216的入射角度(angle of incidence，AOI)的敏感度。根据来自制造商的网站的资料，穿过石英半波片达成的延迟量高度取决于AOI，且在θ_WP＝15°下实现接近0.25个波。使用诸如聚合物之类的AOI较不敏感材料的半波片500提供好得多的结果，如使用与图13的曲线C相同的倾斜配置的图14所示。另一选项是将偏振器600放置于半波片500上游，使得在半波片处可采用较小AOI。此选项在给定偏振器600相较于半波片500对于AOI更不敏感且切换此类组件的次序仍提供整体净效益的状况下起作用。另一选项为将半波片放置得距光源212足够远，使得所要求倾斜角度θ_WP落入半波片的AOI容许度内。

图15类似于图9，但其中半波片500及偏振器600两者如上文所描述的在光源系统210中可操作地倾斜。图15的所测量的调制图案与理想(模型)结果紧密匹配。激光光源212的定向并不影响可实现强度的范围，且在示例中可被设定以使CS样本10上的焦斑大小优化，如由LSP系统200中的数字检测器246所看到的。

因此，一旦半波片500的半波片角度φ被设定为针对给定应力测量提供光束216的最佳强度，且偏振器的定向(偏振方向)被设定为与光学补偿器230的偏振器232的定向匹配，半波片500及偏振器600可随后被倾斜至其相应的倾斜角度θ_WP及θ_P，所述角度被选择以减小背向反射的不利效应。

出于解释的目的，前述描述内容已参照特定实施例来描述的。然而，以上说明性讨论不旨在详尽无遗或不将本发明限于所公开的精准形式。鉴于上述教导，许多修改及变化是可能的。实施例被选择和描述以便最佳地解释技术的原理及其实际应用。由此，本领域技术人员能够利用依据所构想的特定用途进行的各种修改，以最佳地利用技术及各种实施例。为了清楚且精准描述的目的，特征在本文中描述为相同或单独实施例的部分，然而应了解，本发明的范围可包括具有所描述特征中的全部或一些的组合的实施例。

尽管公开内容及示例已参照附图充分描述，但应注意，各种改变及修改对于本领域技术人员将变得显而易见。此类改变及修改应理解为包括在如通过权利要求限定的本公开及示例的范围内。最终，本申请案中提及的专利及公布的整个公开内容据此通过引用并入本文。

Claims (28)

1.一种使用光散射偏振(LSP)系统对化学强化玻璃执行应力测量的方法，所述光散射偏振(LSP)系统具有发射光束的光源系统、光学补偿器和具有积分时间t_I的数字检测器，所述方法包括：

a)通过将第一偏振器与所述光学补偿器中的第二偏振器对准以具有匹配偏振方向来使用能操作地设置在光源与旋转光漫射器之间的可旋转半波片和所述第一偏振器来调整光束的强度，所述旋转光漫射器具有旋转时间t_R，通过将所述可旋转半波片旋转至曝光时间t_E落入曝光范围t_R≤t_E内的位置来实现所述对准；以及

b)使用所述曝光时间t_E执行曝光，以获得所述应力测量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述化学强化玻璃包括具有第一量的光散射的第一化学强化基板，并且所述方法进一步包括：

用具有第二量的光散射的第二化学强化基板替换所述LSP系统中的所述第一化学强化基板，所述第二量的光散射与所述第一量的光散射相差至少2倍；

对所述第二化学强化基板重复操作a)和b)。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调整包括测量由所述数字检测器捕获的LSP图像的强度分布的对比度。

4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的方法，其特征在于，所述曝光时间t_E在5ms和10ms之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述光源系统包括光束沿其行进轴线，其中所述可旋转半波板和所述偏振器形成来自所述光束的背向反射的光，并且所述方法进一步包括能操作地将所述可旋转半波板和所述第一偏振器中的至少一者相对于所述轴线倾斜，以避免将所述背向反射的光被引导至所述光源。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述背向反射的光被引导至一个或多个光吸收器。

7.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的方法，其特征在于，所述可旋转半波片具有相对于所述轴线的倾斜角度θ_WP，所述倾斜角度θ_WP在10°≤θ_WP≤20°的范围内。

8.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的方法，其特征在于，所述偏振器具有相对于所述轴线的倾斜角度θ_P，所述倾斜角度θ_P在5°≤θ_P≤10°的范围内。

9.根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的方法，其特征在于，所述光源包括具有在20到300毫瓦之间的范围内的光学功率的激光二极管。

10.根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的方法，其特征在于，所述旋转光漫射器包括全息光漫射器。

11.根据权利要求1至权利要求10中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二偏振器包括偏振分束器。

12.根据权利要求1至权利要求11中任一项所述的方法，进一步包括利用能操作地支撑所述可旋转半波片的电动安装架来旋转所述可旋转半波片。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述旋转所述可旋转半波片是利用控制器来进行的，所述控制器被配置为自动操作所述电动安装架。

14.根据权利要求1至权利要求13中任一项所述的方法，其特征在于，所述半波片包括聚合物材料。

15.根据权利要求1至权利要求14中任一项所述的方法，进一步包括：

在数字检测器上形成所述化学强化玻璃的数字LSP图像，所述数字检测器具有饱和度限值并且包括像素，所述像素具有如由所述数字LSP图像限定的对应像素强度；并且

其中所述调整所述光束的所述强度包括将所述像素强度限制在所述饱和度限值的25％和75％之间。

16.一种照明系统，在用于测量化学强化玻璃中的应力的光散射偏振(LSP)系统中提供光强度控制，所述照明系统与光学补偿器和具有积分时间t_I的数字检测器光通信，并且包括沿着轴线依次排列的如下部件：

光源，所述光源沿着所述轴线以第一强度发射光；

可旋转半波片；

第一偏振器，所述第一偏振器具有第一偏振方向，所述第一偏振方向与所述光学补偿器中的第二偏振器的第二偏振方向对准；

可旋转光漫射器，所述可旋转光漫射器具有旋转时间t_R；并且

其中，所述可旋转半波片被设定为处于旋转角度，使得离开所述第一偏振器并且入射到所述可旋转光漫射器上的所述光束具有小于所述第一强度的第二强度，使得所述LSP系统对于所述CS玻璃具有曝光时间t_E以测量所述CS玻璃中的所述应力，所述曝光时间t_E落入曝光范围t_R≤t_E内。

17.根据权利要求16所述的照明系统，其特征在于，所述可旋转半波片和所述偏振器形成背向散射的光，并且其中所述可旋转半波片和所述偏振器中的至少一者相对于所述轴线能操作地倾斜以将所述背向散射的光引导至所述光源。

18.根据权利要求16或权利要求17中所述的照明系统，其特征在于，所述可旋转半波片具有相对于所述轴线的倾斜角度θ_WP，所述倾斜角度θ_WP在10°≤θ_WP≤20°的范围内。

19.根据权利要求16至权利要求18中任一项所述的照明系统，其特征在于，所述偏振器具有相对于所述轴线的倾斜角度θ_P，所述倾斜角度θ_P在5°≤θ_P≤10°的范围内。

20.根据权利要求16至权利要求19中任一项所述的照明系统，其特征在于，所述背向反射的光被引导至一个或多个光吸收器。

21.根据权利要求16至权利要求20中任一项所述的照明系统，其特征在于，所述曝光时间t_E在5ms和10ms之间。

22.根据权利要求16至权利要求21中任一项所述的照明系统，其特征在于，所述光源包括具有在20到300毫瓦之间的范围内的光学功率的激光二极管。

23.根据权利要求16至权利要求22中任一项所述的照明系统，其特征在于，所述光漫射器包括全息光漫射器。

24.根据权利要求16至权利要求23中任一项所述的照明系统，其特征在于，所述第二偏振器包括偏振分束器。

25.根据权利要求16至权利要求24中任一项所述的照明系统，进一步包括可旋转电动安装架，所述旋转电动安装架能旋转地支撑所述可旋转半波片。

26.根据权利要求25所述的照明系统，进一步包括控制器，所述控制器被配置为自动操作所述可旋转电动安装架。

27.根据权利要求16至权利要求26中任一项所述的照明系统，其特征在于，所述半波片包括聚合物材料。

28.根据权利要求16至权利要求27中任一项所述的照明系统，进一步包括：所述光学补偿器。