TW202111292A - 用於測量基於玻璃的樣品的基於應力的特徵的系統和方法 - Google Patents

Abstract

系統和方法包括使用由由數位輸入/輸出卡生成的數位控制信號控制的偏振開關來生成偏振切換（PS）偵測器和參考信號。對PS偵測器和參考信號執行增益調整，以定義增益調整後的偵測器和參考信號。數位控制信號用於使增益調整後的PS偵測器和參考信號同步，以定義各自具有各自的穩態部分的增益調整後的同步PS偵測器和參考信號。穩態部分用於定義測量信號。然後，將測量信號用於計算被測樣品的基於應力的特性。樣品可以藉由不同的測量位置連續或分立地移動，這些位置使用數位控制信號與偏振開關的操作同步。

Description

用於測量基於玻璃的樣品的基於應力的特徵的系統和方法

本申請案根據專利法第28條之規定，主張對於申請於2019年7月31日的美國臨時申請案第62/881,001號的優先權，在此仰賴且併入此美國臨時申請案之內容以作為參考。

本揭示內容涉及用於光學表徵玻璃的系統和方法，並且特別涉及用於測量基於玻璃的樣品的基於應力的特性的系統和方法。

離子交換和其他強化處理會在基於玻璃的樣品中生成應力，並引起光學雙折射。在構成基於玻璃的樣品的材料中形成的壓應力區和拉應力區，可以具有相對較小的深度（例如，10微米）或相對較大的深度（例如，幾毫米或許多毫米）。可以從對測量光的正交偏振的折射率分佈的測量中得出基於玻璃的樣品的應力分佈，其中兩個偏振態的折射率分佈的差異表示雙折射。應力透過應力-光學係數相關於雙折射。應力的特徵（分佈）可能非常複雜，並且取決於許多因素，包括玻璃基材料的性質、用於製造玻璃基樣品的生產處理以及下游製造處理。

可以由各種外力來改變基於玻璃的樣品中的應力，包括如何將基於玻璃的樣品安裝到裝置中以及如何使用基於玻璃的樣品。在可靠性和故障模態研究期間，使用各種品質控制程序來測試和測量整個玻璃基樣品的邊緣和整個體積的應力變化。

折射近場（RNF）方法是一種用於測量離子交換的平面光波導中的折射率和雙折射曲線（以及應力）的技術。RNF方法利用其中參考塊與被測量的基於玻璃的樣品接觸的系統。測量光穿過基於玻璃的樣品和參考塊，並被佈置在非常靠近參考塊頂部的光電探測器偵測到。示例RNF系統在美國專利第5,280,334號中揭示，在此藉由引用併入本文。

先前技術的RNF系統的問題在於，光電偵測器除了偵測測量光之外，還偵測來自許多角度和位置的散射光和倍增反射光。散射光可能是由參考液（例如，污染物）、參考塊表面上的缺陷（例如，不佳清潔後殘留的灰塵）、RNF系統的光學系統甚至是樣品本身內部的缺陷引起的（例如氣泡和其他「種子」）。這樣的散射光可能導致對玻璃部件的折光力的錯誤測量。先前技術的RNF系統的其他問題包括不能對玻璃基樣品進行大量測量，然後不能及時有效地處理所有測量資料。由於應力測量用於處理和品質控制，因此此缺點會對製造生成不利影響。

本揭示內容針對用於測量基於玻璃的樣品（在下文中稱為「樣品」）的基於應力的特性的改進的RNF系統和方法。示例的基於應力的特性包括光的正交偏振的折射率分佈（亦即橫向電（TE）折射率n_TE (x)和橫向磁（TM）折射率n_TM (x)）、雙折射曲線B(x)、和應力曲線S(x)，其中x座標為樣品的深度。應力特性可以包括表面（壓縮）應力S(0)、膝部應力S_k (x_k )、雙折射B和中心張力CT。系統和方法可以將應力表徵為1兆帕（MPa）以內。

本發明的改進的系統和方法可以用於測量任何材料的基於應力的特性，對於這些材料，光可以以低到中等衰減傳播並且可以有效地偵測到測量信號。本文揭示的系統和方法允許快速評估玻璃、玻璃陶瓷、晶體和其他透明材料的應力和折射率分佈，在本文中統稱為「基於玻璃的材料」或「基於玻璃的樣品」。快速測量非常有用，因為它們可以為形成樣品的處理品質控制和處理反饋以及新材料開發提供急需的反饋。與先前技術的系統和方法相比，本文揭示的系統和方法使得能夠以高精度和高準度並且以快得多的速度表徵一個或多個基於應力的特性。

一種類型的樣品強化技術是離子交換（IOX），其中外部離子用於替代樣品材料中的原生離子，其中離子通常具有實質上不同的尺寸（例如，較大的外部K⁺ 替代較小的原生Na⁺ 離子）。在樣品上執行的IOX處理會導致樣品材料內部的成分發生局部變化。成分的變化會在離子被替換的區域中產生局部應力。這種局部應力的出現導致局部雙折射，這與經由材料的應力-光學係數（SOC）施加的應力直接相關。應力區域取決於離子交換條件和樣品的材料特性，例如玻璃樣品的玻璃基質的性質。在這種情況下，可以在發生IOX處理的樣品表面附近創建壓縮區域和拉伸區域。取決於所使用的IOX處理，一些壓縮或拉伸區域可以相對狹窄，並且在示例中可以在幾微米到幾百微米的範圍內。因此，需要高空間解析度來精確測量透明材料在其整個厚度範圍內（即進入樣品深度）的應力和雙折射的狹窄區域以及相關的基於應力的特性。

除了IOX處理外，還有其他處理可能導致需要表徵的材料中形成應力。這些可以包括離子注入、熱退火和層壓等。

本文公開的示例系統和方法具有以下有利特徵和能力中的一個或多個。

1)一種高速消色差鐵電液晶（FLC）偏振旋轉器，用作高速偏振開關，其操作與使用外部TTL（晶體管-晶體管邏輯）信號的測量和參考信號偵測處理同步。此特徵使得能夠以高達5000Hz的頻率切換雷射的偏振狀態。因此，樣品上單點的測量時間可以減少到1毫秒（ms）以下。例如，在基於FLC的5 KHz開關頻率下，測量時間僅為0.2 ms（即1/5000 Hz = 0.2 ms）。

2)配置用於高速資料採集的輸入/輸出（I/O）控制器。示例I/O控制器包括一個類比輸入卡（例如NI-9222或NI-9223），此卡可以分別以0.5和1 Msample /秒/通道的速度採集資料。示例I/O控制器還包括一個數位輸出卡（例如，具有8 DIO，5 V / TTL，雙向，100 ns的NI 9401），用於向FLC極化開關提供調變信號，以提供上述輸入偏振光束的偏振狀態的快速切換。類比和數位I/O卡都可以插入NI cDAQ（cDAQ-9178）或NI-cRIO（NI-cDAQ-9045）機箱，並可以經由軟體（例如LabVIEW^® 軟體或其他軟體平台）進行遠程控制，例如C-sharp。

3)一個或多個基於壓電的摩擦驅動運動平台，可提供精確、穩定和均勻的運動，從而能夠對1-D和2-D成像進行實質無振動且精確的位置測量。

4）藍色雷射源，提供波長405 nm的藍色雷射。與使用紅色波長（例如632 nm）相比，這可以提高空間解析度。與較長的波長（例如紅色波長）相比，藍色的測量波長可以表徵更接近樣品表面的基於應力的特性。在一個示例中，雷射源被配置為發射藍色和紅色波長兩者以獲得在這兩個不同波長處的測量值。

5)系統以步進模式或連續模式運行。

6)系統操作以測量給定基於應力的特徵的一維（1D）分佈或二維（2D）分佈。

系統和方法可以具有以下部分或全部功能和優點：

系統以連續模式運行可顯著提高測量速度。舉例來說：以0.1 mm / s的取樣速度測量1 mm厚的樣品可以在10 s內完成，取樣間隔為每微米一個資料點；以0.5 mm / s的取樣速度完成1 mm厚樣品的測量，可以在20s內完成，每500 nm的取樣間隔為一個資料點。1 mm厚的樣品以0.02 mm / s的取樣速度進行測量可以在50 s內完成，取樣間隔為每200 nm一個資料點。

系統在步進模式下的操作可實現快速精確的測量。在一個示例中，偏振切換速度為1000 Hz，將每個單點的測量時間減少了1毫秒（ms），即從樣品上的單點測量TE和TM測量光需要1 ms。總測量時間由步進時間和測量中使用的步數決定。例如，步進時間可以在每步50 ms或更高的範圍內。使用1000步的測量的總測量時間為50秒。

藉由使用高速資料採集系統（例如，帶有LabVIEW^® FPGA的NI-cDAQ或NI-cRIO和即時處理資料採集系統）收集大量資料並隨後進行平均以確定該值，從而降低了訊雜比。

另外，在沒有運動中斷的情況下（對於連續模式），並且使用快速偏振切換幾乎同時測量TE和TM模式，可以顯著減少測量單元中油層區域的漂移和/或其他雜散機械性雜訊。

系統的示例配置利用能夠發射不同波長的偏振光的光源。使用多種波長，包括波長為405 nm的藍色雷射，可以將空間解析度從大約1 um（使用633 nm雷射時）提高到大約500 nm（使用405 nm雷射）。同樣，由於空間解析度和光斑尺寸的改進，藍色雷射允許測量指數和應力分佈，使其更接近樣品表面，這是紅色雷射系統無法實現的。這也允許對資料進行更好的後處理，並改善將應力外推到樣品表面的方法。

使用高速壓電平台和高速鐵電晶體偏振控制和採集，可以輕鬆過濾典型的低頻（例如，＜500 Hz）噪聲（例如，由於地板的振動，由於空調引起的雜訊）出來。此外，較短的測量時間可減少熱雜訊影響。

最後，如下所述，系統和方法允許決定樣品表面區域的基於應力的特性。

本揭示內容的具體實施例係關於一種折射近場（RNF）測量系統，用於測量一樣品的至少一個基於應力的特性，系統包括：a）信號生成部，信號生成部生成偏振切換（PS）偵測器以及具有PS頻率的參考信號SD和SR，PS頻率表示在橫向電（TE）偏振和橫向磁（TM）偏振之間切換測量光束；b）信號處理部，信號處理部與信號生成部電連通，並配置為接收和並行處理PS偵測器和參考信號，信號處理部包括：i）增益調節器，增益調節器被配置為接收PS偵測器和參考信號SD和SR，並執行增益調節以定義增益調整後的PS偵測器和參考信號SD'和SR'；ii）數位輸入/輸出（I/O）卡，數位I/O卡被配置為生成定義PS頻率的數位控制信號S5；iii）類比輸入卡，類比輸入卡電連接到增益調節器和數位I/O卡，並配置為接收增益調整後的PS偵測器以及參考信號SD'和SR'和數位控制信號S5，並使用數位控制信號同步PS增益調整後的偵測器和參考信號，以定義PS增益調整後的同步偵測器和參考信號SD”和SR”，PS增益調整後的同步偵測器和參考信號SD”和SR”中的每個信號具有各自的穩態部分SSD”和SSR”；和iv）電腦/控制器，配置為：接收PS增益調整後的同步偵測器和參考信號SSD”和SSR”，並使用這些信號的穩態部分SSD”和SSR”來定義測量信號SN = SSD” / SSR”；和使用測量信號SN計算至少一個基於應力的特性。

本揭示內容的另一具體實施例係關於一種使用折射近場（RNF）測量系統測量樣品的至少一個基於應力的特性的方法，樣品具有應力誘發的特性，方法包含以下步驟：生成偏振切換（PS）偵測器以及具有PS頻率的參考信號SD和SR，PS頻率表示在橫向電（TE）偏振和橫向磁（TM）偏振之間切換測量光束，此係藉由偵測具有PS頻率的PS偵測器與參考光信號，PS頻率由受數位控制信號控制的偏振開關定義；對PS偵測器和參考信號SD和SR執行增益調節，以定義增益調整後的偵測器和參考信號SD'和SR'；使用數位控制信號使增益調整後的PS偵測器與參考信號SD'和SR'同步，以定義增益調整後的同步PS偵測器和參考信號SD”和SR”，增益調整後的同步PS偵測器和參考信號SD”和SR”中的每一個分別具有穩態部分SSD”和SSR”；使用這些信號的穩態部分SSD”和SSR”來定義測量信號SN = SSD”/SSR”；和使用測量信號SN計算至少一個基於應力的特性。

下面的詳細說明將闡述額外的特徵與優點，在相關技術領域中具有通常知識者根據說明將可顯然得知這些特徵與優點的部分，或者，在相關技術領域中具有通常知識者藉由實作本說明書與申請專利範圍所說明的（以及由附加圖式所說明的）具體實施例將可理解到這些特徵與優點的部分。

應瞭解到，上文的一般性說明與下文的詳細說明僅為示例性的，且意為提供概觀或框架以期瞭解申請專利範圍的本質與特性。

現在詳細參照本揭示內容的各種具體實施例，這些具體實施例的範例被圖示說明於附加圖式中。在圖式中儘可能使用相同或類似的的元件編號與符號，以指代相同或類似的部件。圖式並非必需按比例繪製，且在本發明技術領域中具有通常知識者將認知到，圖示已被簡化以圖示說明本揭示內容的關鍵態樣。

下面闡述的申請專利範圍被併入實施方式，並構成實施方式的一部分。

本文提及的任何出版物或專利文件的全部公開內容藉由引用併入。

一些圖式中圖示了卡式座標以作為參考，這並不意為對於方向或定向構成限制。

根據討論的上下文，下面使用的首字母縮寫詞「PS」可以代表「偏振切換」或「偏振切換」。

首字母縮寫詞「DAQ」代表「資料獲取」，而首字母縮寫詞cDAQ代表「緊湊資料獲取」。

首字母縮寫詞「RIO」代表「即時輸入/輸出」，而首字母縮寫詞cRIO代表「緊湊型即時輸入/輸出」。

首字母縮寫詞「I/O」代表「輸入/輸出」。

下述RNF系統的許多不同組件（例如cDAQ和cRIO機架以及數位和類比I/O卡）可以從美國德克薩斯州奧斯汀的National Instruments Corporation獲得，以下簡稱為「National Instruments」，也縮寫為「NI」。

通用RNF測量系統

圖1A是根據本揭示內容的示例RNF測量系統（「系統」）100的一般示意圖。系統100被配置為測量基於玻璃的樣品（「樣品」）300的一個或多個基於應力的特性。基於應力的特性可以包括用於光的正交偏振的折射率分佈、雙折射分佈和應力分佈。所有這三個分佈特徵都是相關的。

系統100包括光源系統130、偏振切換系統148、參考偵測器系統160、對樣品300進行定位的樣品定位系統248、以及如圖所示可操作地佈置的信號偵測器系統400。這些組件構成系統100的信號生成部分101SG。

系統100還包括信號控制和處理系統570。信號控制和處理系統570包括輸入/輸出（I/O）控制器502，其被配置為輸出控制信號、接收輸入信號（例如參考信號和偵測器信號SR和SD，如下所述）並總體上控制與系統100的操作相關聯的各種信號的處理。信號控制和處理系統570構成系統100的信號處理部分101SP，其中信號處理部分相對於信號生成部分101SG可操作地佈置並且與其電連通，並且被配置為並行處理偵測器和參考信號，如下所述。

在系統100的總體和整體操作中，光源系統130生成偏振光束112P。偏振光束112P由偏振切換系統148快速偏振切換，以將偏振光束的偏振從橫向電（TE）偏振來回切換為橫向磁（TM）偏振，以形成偏振切換光束112PS。偏振切換光束112PS的一部分被發送到參考偵測器系統160，參考偵測器系統160生成參考光電偵測器信號SR，此信號被發送到信號控制和處理系統570。偏振切換光束112PS的另一部分被發送到樣品定位系統248，樣品定位系統248可移動地支撐要測量的基於玻璃的樣品（「樣品」）300。

關於樣品300相對於偏振切換光束112PS或其他參考的位置的資訊，經由位置信號SP被提供給信號控制和處理系統570。出於以下說明的原因，將偏振轉換光束112PS的與樣品300相互作用並且行進到信號偵測器系統400的部分標示為112F2。系統100包括多個不同的孔，這些孔為了便於描述和說明在圖1A中未示出，而是在下面進行描述。

光束112F2被信號偵測器系統400接收，信號偵測器系統400由此形成偵測器信號SD，偵測器信號SD被發送到信號控制和處理系統570。如上所述，I/O控制器502控制與系統100相關聯的各種信號的處理。信號控制和處理系統570還被配置為基於參考信號和偵測器信號SR和SD（或更具體地，基於這些信號的處理版本）來計算樣品的至少一個基於應力的特性。

RNF測量系統的詳細說明

圖1B是圖1A的系統100的更詳細的示意圖。參照圖1B，系統100的光源系統130包括光源110，光源110沿著在第一方向上延伸的第一光軸A1發射光束112。示例光源110是在405nm的標稱波長下操作的單模光纖尾纖雷射。這是「藍色」波長，並且比先前技術的紅色波長（例如，633nm）短得多，並且允許顯著更高的測量解析度。在示例中，光源110可以發射包括藍色和紅色波長的多個波長的光。

光源系統130還包括偏振控制器120，控制器120具有輸入端122和輸出端124。光源110光學耦合到偏振控制器120的輸入端122。偏振控制器120從光源110接收光束112，並輸出偏振光束120P。示例性偏振控制器120是基於光纖的，並且包括一部分單模光纖126，單模光纖126纏繞在光纖槳狀件128周圍，光纖槳狀件128將應力雙折射引入光纖中以生成所需的輸出偏振，例如TE偏振（即垂直偏振）或TM偏振（即水平偏振）。

光源系統130還包括準直透鏡132。偏振控制器120在其輸出端124處光學耦合至準直透鏡132。準直透鏡132被配置為接收由偏振控制器120的單模光纖126發射的發散偏振光束120P，並形成準直的、自由空間的偏振光束112P，其在示例中具有大致圓形的截面形狀。準直透鏡132可包括一個或多個透鏡元件或其他類型的光學元件，例如反射元件。

系統100還包括上述偏振切換系統148，偏振切換系統148包括偏振開關140，偏振開關140沿著軸A1位於準直透鏡132的下游，使得其接收準直的偏振光束112P。偏振開關系統148還包括偏振開關控制器，其可操作地連接到偏振開關140。在示例中，偏振開關140為鐵電液晶（FLC）偏振旋轉器的形式，其在示例中以高達5KHz的開關速率（PS頻率）操作，這對應於測量時間為0.2毫秒。在下面的討論中，偏振開關140也被稱為FLC偏振開關。

偏振開關140由偏振開關控制器146驅動，以在TE和TM偏振（即垂直和水平偏振）112V和112H之間來回切換偏振光束112P的偏振狀態。因此，偏振光束112P被轉換為偏振切換光束112PS。偏振開關140的示例性切換時間在1毫秒與100毫秒之間，示例性的切換時間為約1毫秒。在示例中，偏振光束112P以TE或TM偏振光的形式離開偏振控制器120，並且偏振開關140在被啟動時將偏振光束112P切換到另一偏振，即，以形成偏振切換光束112PS。

系統100還包括沿著軸A1並且在偏振開關140的下游的分束元件150。示例性分束元件150非常薄，例如未塗覆的防護薄膜。分束元件150被配置為沿著第二光軸A2反射相對較小的部分作為偏振切換光束112PS的參考光束112R。在一個示例中，參考光束112R高達偏振轉換光束112PS的50％，但是在其他示例中，參考光束112R小於偏振切換光束112PS的20％或小於10％，其中8％是示範數量。在一個示例中，分束元件150包括防護膜分束器。

在一個示例中，第二光軸A2與第一光軸A1成相對淺的角度，即，偏振切換光束112PS幾乎垂直地入射在分束元件150上。這有助於確保來自分束元件150的TE和TM偏振態的反射大致相同。這是因為TM和TE光的反射率的差異隨著角度的增加而強烈變化。薄的分束元件150的優點在於，由於其兩個表面之間的多次反射而生成的幻影反射偏移可忽略不計。

基準偵測器系統160沿著第二光軸A2佈置。參考偵測器系統160沿著第二光軸依次包括：具有焦距f1的聚焦透鏡162，與聚焦透鏡相距距離f1佈置的共焦孔164，以及具有光敏表面168的參考光電偵測器166。參考偵測器系統160被配置為接收和偵測（偏振切換的）參考光束112R，在圖1B的示例系統中，所示的光束被分束元件150反射以沿著第二光軸A2行進。在一個示例中，聚焦透鏡162是消色差的。參考光電偵測器166響應於接收到偏振切換參考光束112R而生成代表偏振切換參考光束的參考信號SR。

圖1C是參考臂170和其中的參考偵測器系統160的特寫視圖，其示出了系統100（特別是參考偵測器系統）的替代實施例。在替代實施例中，省去了光轉向構件180，並且分束元件150設置有孔口152，偏振轉換光束112PS的一部分可以作為沿著軸A1的透射參考光束112R穿過孔口152，而不是沿軸A2傳播的反射參考光束（此光束不再存在於系統100中）。聚焦透鏡162、共焦孔164和參考光電偵測器166被佈置成接收並處理所透射的參考光束112R並生成參考信號SR。然後，以與圖1B的系統配置相同的方式處理來自參考光電偵測器166的參考信號SR。在圖1C的實施例中，代表參考光信號的參考光束112R沿著第一軸A1行進，並且參考光束（參考光信號）不經歷改變第一光軸的第一方向的反射。這具有消除反射引起的偏振變化的優點，偏振變化可以導致樣品基於應力的特性的測量中的誤差。

圖2A是示例共焦孔164的特寫正視圖。共焦孔164具有小的軸向開口165。第二光軸A2和參考偵測器系統160限定系統100的參考臂170。

再次參考圖1B所示，其中的系統100的示例配置還包括沿第一光軸A1佈置在分束元件150下游的光轉向構件180。光轉向構件180限定第三光軸A3，第三光軸A3在示例中與第一光軸A1成直角。示例性的光轉向構件180是具有反射表面182的鏡子。光轉向構件180用於反射偏振切換光束112PS以沿著第三光軸A3傳播。

系統100還包括第一扇形孔徑光闌200，其設置在光轉向構件180的下游並沿著第三光軸A3。圖2B是第一扇形孔徑光闌200的示例的特寫正視圖。第一扇形孔徑光闌200由楔形的離軸第一開口202限定（見圖2B）。第一開口202被配置為從偏振切換光束112PS形成楔形離軸偏振切換光束112W。第一開口202被配置為僅使偏振轉換光束112PS的可能遵循軌跡的一部分傳至信號光電偵測器430藉由測量區域並傳出參考塊320的頂表面（下面介紹並討論測量區域的信號光電偵測器430和參考塊320）。

沒有從參考塊320的頂部322折射出來的偏振轉換光束112PS的其他部分，必須用定義楔形第一開口202的不透明區域來遮擋。如圖2B所示，示例性楔形的第一開口202具有頂點204和相關的角度η，角度在示例中是可調節的，例如在0°至90°之間，使得透射的楔形偏振的截面形狀光束112W可以被調節。楔形的第一開口202的頂點204沿著第三光軸A3定位。

系統100還包括沿著第三光軸A3且在第一扇形孔徑光闌200的下游的物鏡220和可移動的支撐平台230，平台230由可在X、Y和Z方向上移動的定位台240支撐（即三個維度）。定位台240可操作地連接到平台控制器244。因此，定位台240可操作以在三個維度上移動支撐平台。在一個示例中，定位台240包括精確的摩擦驅動的基於壓電的運動台。平台控制器244和定位台構成樣品定位系統248。

示例物鏡220是顯微鏡物鏡，其居中以與第三光軸A3和第一扇形孔徑光闌200的頂點204同軸。支撐平台230具有支撐具有頂表面252和底表面254的蓋玻片250的上表面232。支撐平台230具有孔口236，當楔形光束112W穿過第一扇形孔徑光闌200時，偏振轉換光束112PS可以穿過孔口236，然後穿過蓋玻片250。對於是否存在蓋玻片250來校正物鏡220。

系統100還包括樣品300。樣品300與參考塊320一起被支撐在蓋玻片250上。圖3A是設置在蓋玻片250的頂表面252上的樣品300和參考塊320的特寫正視圖。圖3B是僅樣品300的特寫正視圖。樣品300具有邊緣表面304、前表面306和後表面308。邊緣表面304面對蓋玻片250的頂表面252。樣品300、參考塊320和蓋玻片位於測量區域MR內。

參考塊320具有上述頂表面322和前表面324。佈置參考塊320和樣品300，使得參考塊320的前表面324面對樣品的前表面306。要測量的基於應力的特性至少沿X方向具有梯度。

邊緣表面304在XY平面中測量。可以根據位置進行邊緣表面304的掃描測量。樣品300在X方向上的厚度th在示例中可以為2mm或更小。在一個示例中，對邊緣表面304進行處理（例如劈開和/或拋光）以暴露從前表面306和後表面308之間沿著邊緣表面304延伸的應力分佈的深度。

可以在幾毫米的距離上的各種位置上對樣品進行一次或多次掃描（參見下面介紹和討論的圖12A、12B）。與離開樣品300的偏振切換的發散光束112D1相關聯的極角β和方位角η在圖3A中示出，以示例極限β_min 、β_max 和η_min 、η_max 為例。參考塊320在z方向上具有厚度TH。厚度TH的示例範圍在5mm至20mm之間，其中8mm是此範圍內的示例性厚度。圖4A是示例測量配置的示意圖，其示出了沿著傳播方向k（即k向量）傳播的楔形光束112W的一部分中的光線之一的電場向量E的偏振態，並且還表示極角β和方位角η。

在示例實施例中，折射率匹配油330用於確保蓋玻片250、樣品300的邊緣表面304、樣品的前表面306和參考塊320的前表面324之間的低反射光學耦合。蓋玻片底表面254和參考塊頂表面322均可以可選地塗覆有偏振無關和角度獨立的抗反射（AR）塗層326（在圖3A中以虛線邊界示出）以最小化對於偏振和入射角範圍的反射率變化。

溫度感測器246（例如，熱電偶）與定位台240熱連通，並且生成代表局部溫度的溫度信號ST。溫度信號ST被提供給I/O控制器502，特別是被提供給其中的溫度輸入模塊516，例如可從National Instruments獲得的NI-9210溫度輸入模塊。溫度感測器246用於精確測量樣品300和折射率匹配油330的環境（局部）溫度，因為這些組件的材料的折射率對溫度敏感並且會影響測量。在一個示例中，主電腦控制器550（在下面介紹和討論）包括折射率匹配油330與樣品300的基於溫度的折射率資料，以用於基於折射率的溫度依賴性計算樣品中一個或多個基於應力的特性。

偏振轉換光束112PS離軸通過第一扇形孔徑光闌200的楔形第一開口202，並且所得的楔形偏振轉換光束112W進入物鏡220，物鏡220以第三光軸A3為中心。偏振切換光束112PS的寬度使得其超過物鏡220的輸入淨孔徑（未示出）。此過度填充確保了偏振切換光束112PS的僅最強且大致均勻的、實質上高斯性的中心部分被聚焦到樣品300的邊緣表面304上，作為第一聚焦光束112F1。

這種過度填充還有助於減少或消除來自楔形第一開口202的外部圓形部分的任何不利的衍射效應。因為偏振轉換光束112PS從相對於第三光軸A3的離軸位置進入物鏡220，所以物鏡形成偏振轉換第一聚焦光束112F1。

系統100還包括在物鏡220的聚焦位置處與第三光軸A3相交的第四光軸A4，聚焦位置位於樣品300的邊緣表面304上。信號偵測器系統400沿第四光軸A4可操作地佈置。示例性信號偵測器系統400沿第四光軸A4依次包括中繼光學系統410、具有同軸開口422的共焦可變孔420、和具有光敏表面432的信號光偵測器430。在一個示例中，中繼光學系統410是消色差的。如圖1B中所示的示例消色差中繼光學系統410包括一對透鏡元件412a和412b。在示例中，每個透鏡元件412a和412b具有焦距f2（例如，f2 = 80mm）並且包括抗反射塗層。透鏡元件412a和412b的示例直徑（通光孔徑）約為2英寸。圖4B示出了這樣的示例，其中信號光電偵測器430沿著第四光軸A4佈置，使得對於聚焦光範圍Δθ中的所有入射角θ，第二聚焦光束112F2的中心光線112C幾乎垂直於信號光電偵測器入射。

在中繼光學系統410的示例性雙透鏡實施例中，第一透鏡元件412a位於距軸A4、A3、焦點260（參見圖3A）和邊緣表面304相交的位置的焦距f2處。第一聚焦光束在邊緣表面304處向下聚焦到焦點260，然後作為發散光束112D1發散超出焦點。第一透鏡元件412a接收並準直發散光束112D1以形成沒有漸暈（vignetting）的準直光束112C1。第二透鏡元件412b被佈置為使得其接收準直光束112C1並重新聚焦光束以形成第二聚焦光束112F2。第二聚焦光束112F2穿過共焦可變孔420，並且被信號光電偵測器430接收和偵測。作為響應，信號光電偵測器430生成前述的（偏振切換的）偵測器信號SD。在一個示例中，信號光電偵測器430被放置為稍微超出第二透鏡元件412b的聚焦點。注意，除了在偏振開關140的上游的初始偏振光束112P之外，上述各種光束都是偏振切換的光束。

系統100還包括在參考塊320和樣品300下游並且沿著第三光軸A3的第二扇形孔徑光闌360。圖2C是第二扇形孔徑光闌360的示例的特寫正視圖。第二扇形孔徑光闌360包括第二開口362，第二開口362從光闌的中心偏移，並且其方位通過角範圍可以是固定的或手動可調節的。示例性第二扇形孔徑光闌360具有弓形形狀。第四軸線A4標稱地穿過弓形第二開口362的中心。

在一個示例中，第二扇形孔徑光闌360包括兩個半圓形可移動部分364和中央盤366。中央緊固構件368固定半圓形可移動部分364，使得它們可以旋轉以打開和關閉第二開口362（如粗箭頭所示），同時保持在所有角度位置半圓形可移動部分364的內部邊緣369徑向指向光束的第三光軸A3。

第一扇形孔徑光闌200、物鏡220、可移動支撐平台230、蓋玻片250、定位台240和第二扇形孔徑光闌360構成掃描光學系統270。

在一個示例中，第二扇形孔徑光闌360的第二開口362具有前述的弓形形狀，其具有36°（+/- 18°）的相關聯的標稱方位通帶角和26°的最小極角通過角βmin 。在示例中，第二扇形孔徑光闌360的第二開口362的面積小於第一扇形孔徑光闌200的第一開口202的面積。此配置用於阻擋由偏振切換光束112PS與第一扇形孔徑光闌200的楔形第一開口202的邊緣的相互作用生成的衍射光。這種衍射光可能會對測量生成不利影響。離開物鏡220並沿第四光軸A4傳播的偏振切換的第一聚焦光束112F1穿過可移動支撐平台230的孔徑236、通過蓋玻片250並到達樣品300的邊緣表面304。待測量的折射率分佈沿著邊緣表面304的平面。

在焦點260之後，偏振切換的第一聚焦光束112F1發散並繼續穿過參考塊320的前表面324，並且作為發散光束112D1離開頂表面322。然後，此偏振切換的發散光束112D1的一部分穿過第二扇形孔徑光闌360的第二開口362。

以小於β_min 的極角傳播的發散光束112D1的部分被第二扇形孔徑光闌360阻擋，而以大於β_min 的角傳播的部分被透射。因此，如果邊緣表面304處的折射率減小，則來自發散光束112D1的光線的折射角增大，並且原本被阻擋的光現在超過最小極角β_min ，並最終被偵測到。這導致信號光電偵測器430處的光功率增加。相反的，如果邊緣表面304處的折射率增加，則來自偏振切換的第一聚焦光束112F1的光線的折射角減小，並且較少的光功率設法超過最小極角β_min ，並且被第二扇形孔徑光闌360阻隔。這導致信號光電偵測器430處的光功率減小。

第二扇形孔徑光闌360佈置在距參考塊320的頂表面322的距離DS處。在一個示例中，距離DS在8.5mm至37.5mm的範圍內。但是，距離DS可以使得高度H高達3英寸的樣品300可以容納在蓋玻片250和第二扇形孔徑光闌360之間，其中限制是由第二扇形孔徑光闌360相交第一透鏡元件412a的情況定義的。

可以是可調光圈的共焦可變孔徑420設置在中繼光學系統410的焦點處（例如，第二透鏡元件412b後面的距離f2）以創建共焦信號偵測裝置。注意，參考偵測器系統160也具有共焦偵測佈置，但是僅具有一個聚焦透鏡162，因為來自分束元件150的參考光束112R已經被準直。信號偵測器系統400和第四光軸A4限定系統100的信號臂470。

在一個示例中，共焦孔口164的軸向開口165可被縮小下來直到直徑約為1mm或更小。信號偵測器系統400的共焦偵測裝置與信號光電偵測器430距測量區域MR的大偏移距離（例如，約200mm）相結合，用於防止來自測量區域的大部分任何不希望的散射和反射光到達參考光電偵測器166和信號光電偵測器430。這用於消除由於散射光和/或反射光引起的測量誤差。

所有光電探測器的共同問題是光電探測的效率在光電探測器的整個面上都不同。通常，光電探測器越大，整個面部的探測均勻性變化越大。在高品質的光電探測器中，超過1 cm² 的探測均勻性變化可能約為±2％。這些均勻性變化使所測量的光功率相對於折射角生成誤差，因此導致所測量的折射率的縮放比例誤差。

原則上，可以透過校準處理減少或消除這些固有的偵測錯誤。此校準步驟可以包括掃描已知折射率分佈的樣品，然後重新映射測量的樣品資料以提高準確性。然而，最希望藉由使給定偵測器的照明區域保持儘可能小來避免此額外的步驟。

信號控制和處理系統的概述

再次參考圖1B所示，系統100包括電連接到定位台240、信號光電偵測器430和參考光電偵測器166的增益調節器500。在示例中，增益調節器500包括雙通道功率計。增益調節器500還電連接到輸入/輸出（I/O）控制器502。I/O控制器502包括電連接到偏振開關控制器146和類比輸入卡514的主觸發器控制器510。在示例中，I/O控制器502包括可從National Instruments獲得的機架，諸如cDAQ或cRIO機架。如下所述，所使用的特定機架部分取決於所採用的特定資料收集方法（模式）（例如，脈衝或連續模式）。在示例中，主觸發控制器510包括數位輸出卡，如下所述，在這種情況下，主觸發控制器510也稱為數位輸出卡510。

系統100還可以包括可操作地連接到I/O控制器502的主電腦控制器550。在示例中，主電腦控制器550包括處理器552和記憶體單元（「記憶體」）554，其被配置為執行存儲在韌體和/或軟體中的指令，包括用於執行本文揭示的測量的計算和信號處理指令。在示例中，術語「控制器」和「電腦」是可互換的。

主電腦控制器550是可編程的（例如，使用包含在非暫態性電腦可讀取媒體中的指令（即軟體））以執行本文所述的功能，包括系統100的操作並執行用於測量樣品300的前述至少一種基於應力的特性的估計或其他方式的計算。如本文所使用的，術語「電腦」不僅限於本領域中稱為電腦的那些積體電路，而是廣泛地指代電腦、處理器、微控制器、微型電腦、可編程邏輯控制器、專用積體電路和其他可編程電路，這些術語在本文中可以互換使用。在一個示例中，可以將I/O控制器502視為主電腦控制器550的一部分。

軟體可以實現或幫助如本文公開的系統100的操作的執行。軟體可以可操作地安裝在主電腦控制器550中，並且特別是在處理器552和記憶體554中以及在I/O控制器502中。軟體功能可以涉及包括可執行代碼的編程，並且這樣的功能可以用於實現本文公開的方法。這樣的軟體代碼可由主電腦控制器550例如由其中的處理器552執行。在一個示例中，I/O控制器502包括用資料處理軟體編程的現場可編程閘陣列（FPGA），此資料處理軟體諸如來自National Instruments的labVIEW^® 系統工程軟體。

主電腦控制器550、I/O控制器502和增益調節器500構成信號控制和處理系統570的示例，如虛線框所示以及圖1A所示。

RNF測量系統的一般操作

首先描述系統100的一般操作。然後提供了資料收集和處理步驟的更詳細描述。

繼續參照圖1A和1B，在示例中，光源110發射連續波（CW）光束112。但是，在另一個示例中，可以在使用系統100測量樣品300的處理中對光束112進行脈衝控制。在一個示例中，主電腦控制器550啟動光源110，此係藉由將光源控制信號S1發送到光源以使光源發射光束112。或者，光源110可以被手動啟動。

平台控制器244被配置為在測量過程期間控制定位台240的移動。在一個示例中，定位台240的移動用於透過聚焦的楔形偏振光束112W（即，第一聚焦光束112F1）掃描可移動支撐平台230，從而使焦點260在樣品300的邊緣表面304上移動。

由信號光偵測器430測量的功率體現在偵測器信號SD中，而由參考光偵測器166在參考光束112R中測量的功率體現在參考信號SR中。偵測器信號SD和參考信號SR被發送到增益調節器500，增益調節器500調節這些信號中的每一個的增益，以定義增益調節的偵測器以及參考信號SR'和SD'，這有助於如下所述的後續信號處理。

增益調整的偵測器和參考信號SD'和SR'被提供給主電腦控制器550，主電腦控制器550使用數位控制信號（例如TTL信號）S5來同步這些信號，以定義同步的增益調整的偵測器和參考信號SD”和SR”。然後，主電腦控制器550使用這些信號來形成標準化或「測量」信號SN（參見圖6），此係藉由將同步增益調整後的偵測器信號的穩態部分除以相應的（同步的）同步增益調整後的參考信號SSR"的穩態部分，如下所述（參見圖7）。這標準化了來自光源110的任何時間功率變化，以及透過偏振開關140和任何其他表面的任何與偏振有關的透射率差異。所得的標準化信號SN在下文中稱為測量信號。

由於參考和偵測器信號SR和SD是偏振切換信號，因此測量信號SN包含關於TE和TM偏振的折射率分佈的資訊。主電腦控制器550使用本領域已知的技術，基於包含在測量信號SN中的資料，計算每個偏振的折射率分佈。如上所述，主電腦控制器550接收溫度信號ST，溫度信號ST用於基於測得的局部溫度來建立或校正樣品300和折射率匹配油330的折射率值。

在一個示例中，樣品300的測量掃描延伸到樣品300之外，以包括具有精確已知的折射率的兩個參考區域。希望這兩個參考區域由均質的、各向同性的非雙折射介質組成。在示例中，兩個區域是參考塊320的一部分和折射率匹配油330的一部分。兩個參考區域（n₁ 和n₂ ）的折射率應彼此接近但略有不同。比例因子M可用於將每個偏振態的測量功率轉換為折射率。

縮放因子M是由兩點校準處理決定的，校準處理採用兩個參考掃描區域的折射率之差與光功率比之差的比值（信號功率P_{1 ， sig} /參考功率_{P2 ， ref} ），當每個偏振態掃描通過這些參考區域時測得之。此由下面的方程式1表示： M = (n₁ – n₂ ) / (P_1,sig / P_1,ref – P_2,sig / P_2,ref ).                [方程式1]

掃描這些參考區域時，每個偏振態的透射光功率略有不同，因此，應針對每個偏振態分別將折射率標準化為標準化功率，從而導致對於每個分佈的比例因子（M_TE 和M_TM ）不同。TE和TM折射率曲線n_TE (x)和n_TM (x)的差異定義了樣品300中的雙折射（曲線）B(x)=Δn(x)= n_TM (x)– n_TE (x)。藉由應力-光學係數SOC，藉由關係S(x)=B(x)/SOC，樣品中應力（分佈）S(x)的計算與雙折射B(x)有關。

在最一般的形式下，應力S和雙折射B是3x3張量，並且透過第4級應力-光學張量彼此相關。對於具有應力對稱性的樣品300，如果仔細控制入射到樣品上的測量光的偏振，則應力-光張量的係數中可以存在許多簡併和零。在某些情況下，某些應力光學張量的非零係數與其他應力係數相比可以忽略不計。因此，透過幾何學上的對稱和簡化，可以簡化藉由雙折射測量來測量應力分佈S（x）的棘手問題，因為應力-光學張量涉及樣品和光學詢問方法。

特定而言，在樣品300中的應力對稱的情況下，並且在應力的主平面內適當地定向了波傳播（k向量）和偏振的情況下，許多應力光學張量分量為零、為非常小和/或退化。在那種情況下，應力光學張量與電磁場方程相乘時，將簡化為具有單個應力係數數的表達式，即應力光學係數SOC。

應力-光學係數SOC對於每種玻璃成分而言都是獨特的。但是，大多數玻璃的大小通常在每兆帕（MPa）2.5 x 10^-6 至3.5 x 10^-6 雙折射折射率單位（RIU）的範圍內。下表1顯示了給定的標稱應力-光學係數SOC為3.0 x 10^–6 雙折射（RIU / MPa）時，與各種數量的雙折射精度或解析度相關的可達到的應力測量精度或解析度。

表1
B (RIU)	S (MPa)
0.001	333
0.0001	33.3
0.00001	3.33
0.000001	0.333

系統100的優點在於它可以使用對樣品300的不太精確的定位控制，因為不需要連續獲取TE和TM掃描來測量樣品。TE和TM測量實質上同時發生（即，彼此之間在大約0.1到0.5毫秒之內），並且發生在同一位置。使用首先在一個偏振態下進行測量然後再回到另一偏振態下進行測量的方法，需要使用一種非常精確且可重複的定位方法和設備。

通常，壓電定位器會將掃描上限範圍限制為最大500微米，這對於測量多種類型的應力增強玻璃產品將無用。如果兩個偏振掃描順序而不是同時執行，那麼熱漂移和其他隨時間變化的誤差也將大得多。

還已經觀察到，對於給定位置的每個偏振態，在短暫的時間間隔（例如，對於1 KHz FLC開關頻率為0.5 ms）的短時間間隔內對測量的光功率進行積分會導致雙折射和應力曲線中的噪聲更大，而不是人們可能會期望的更小。這歸因於以下事實：對每個偏振態的功率進行積分也將在兩個偏振態的信號功率的測量之間在時間上生成更大的間隔，這削弱了本文公開的測量系統和方法的共模抑制優勢。

藉由使用前述的高速FLC偏振開關140，以非常高的時間解析度（幾乎同時）收集了穿過樣品300的偏振轉換光束112PS中的TE和TM偏振折射光，其漂移可忽略不計（熱和熱機械性）。如上所述，FLC偏振開關140可以以非常高的速度例如高達5kHz來調變TE和TM之間的光的偏振狀態。這會生成大量測量資料，這些資料會在下游接收和處理。信號控制和處理系統570被配置為同步此測量資料的生成以及接收和處理大量測量資料，如下面更詳細地描述的。

可以使用如圖1B和1C分別所示的系統100的第一或第二示例配置來測量參考信號SR。在第一示例性構造中，可以將膜片分束元件150放置成與偏振轉換光束112PS接近法線入射，使得對於兩個偏振狀態限定基準光束112R的反射光的強度大致相同。對於系統100的第二示例配置，沒有偏振切換光束112PS的反射，使得與參考光束112R相關聯的參考信號SR的偏振狀態保持固定的TE/TM比而沒有任何改變（在被參考光電探測器166接收之前）。

在系統100的兩個示例配置中，偵測器信號SD由主電腦控制器550使用偵測到的參考信號SR和定時信號（如下所述）標準化以形成如上所述的測量信號SN。

對於平面樣品300，系統100在具有足夠大的數值孔徑（β_max ）以折射出樣品並繞過較低數值的阻塞盤（β_min ）的光的扇區（即，楔形光束112W）中測量折射光功率。折射率匹配油330和參考塊320用於確保以最小的反射光從樣品300的邊緣表面304發生光折射。

藉由以恆定速度在第一聚焦光束112F1的焦點260上移動樣品設置（即樣品、折射率匹配油和參考塊），以在樣品300、折射率匹配油330和參考塊320的厚度上測量折射光功率。然後，測量在樣品（P_sample ）的每個點處穿過折射率匹配油330和參考塊320的光的光功率值。利用針對油（P_oil ）、參考塊（P_ref ）和樣品（P_sample ）測得的光功率值，使用以下公式對TE模式和TM模式計算每個點處樣品（n_sample ）的折射率：

(方程式2) 其中n_ref 和n_oil 分別是參考塊和油的折射率。

藉由使用已知的待測樣品材料的SOC並瞭解測得的TM和TE偏振光的折射率分佈，可以使用上述關係式S(x)=B(x)/SOC計算出樣品的雙折射和應力分佈。

沿樣品300的厚度（x方向；見圖3A和3B）的掃描可以以連續模式或逐步模式進行。下面討論每種測量模式的資料收集處理的詳細資訊。

示例信號控制和處理系統配置和方法

圖5是系統100的信號控制和處理系統570的示例配置的示意圖。信號控制和處理系統570示出了示例性I/O控制器502，如上所述，其可以根據測量模式（例如步進式或連續式，如下文所述）包括機架，例如cDAQ機架或cRIO機架。在一個示例中，平台控制器244可以被認為是信號控制和處理系統570的一部分。

I/O控制器502還包括類比輸入卡514，例如National Instruments的NI 9222或NI 9223。主觸發控制器510還包括數位I/O輸出卡，例如來自National Instruments的NI-9401（例如，具有8 DIO，5 V / TTL，雙向，100 ns）。如上所述，平台控制器244電連接到定位平台240。平台控制器244還經由輸入線505電連接到I/O控制器502，輸入線505在示例中可以是PFI（可編程功能輸入）線或DIO（數字輸入/輸出）線。溫度輸入模塊516電連接到溫度感測器246，由於上述原因，溫度感測器246與可移動支撐平台230熱連通。

圖6是連續和步進模式共同的示例資料收集方法的示意圖。舉例來說，入射到FLC偏振開關140上的偏振光束112P的偏振狀態被設置為TE（相對於樣品的測量平面）。FLC偏振開關140用於以高頻（例如，在1kHz和5kHz之間）在TE和TM模式之間切換偏振光束112P的偏振狀態，以限定偏振轉換光束112PS。FLC偏振開關140的相位和頻率透過數位控制信號S5控制，在示例中，信號是NI數位輸出卡510生成的TTL信號。TTL信號S5的頻率和相位透過軟體設置來控制（例如，在前述的LabVIEW^® 軟體中）。如上所述，使用參考光電偵測器166和信號光電偵測器430來收集偵測器信號SD和SR。這些信號通過增益調節器500，增益調節器500以設定的增益將信號放大。然後將增益調整後的偵測器和參考信號SR'和SD'發送到類比輸入卡514。

另外，TTL信號S5被提供給類比輸入卡514以用作參考（相位）信號。參考TTL相位信號S5的目的是決定偏振切換光束112PS的TE和TM模式的相位，即TE和TM模式的開始和結束，以定義增益調整後的同步偵測器和參考信號SD”和SR”，其中同步是針對給定測量位置的這些信號的TE和TM分量。然後，使用增益調整和同步的偵測器的穩態部分SSD”和SSR”以及參考信號SD”和SR”（如下所述，使用TTL信號S5進行識別）來定義測量信號SN。

透過軟體命令或透過平台控制器244經由輸入線505發送給I/O控制器502的觸發（計數器）信號St，來監視可移動支撐平台230在每個點處的位置（此觸發信號St用於實現觸發模式或非觸發模式的細節將在下面進行討論）。可以將輸入觸發信號St饋入I/O控制器502的PFI輸入511或NI數位輸出卡510的輸入之一。

觸發信號St用於對連續和步進模式兩者同步TTL信號S5、增益調整偵測器和參考信號SD'和SR'、以及可移動支撐平台230的位置（體現在信號位置SP中）模式。PFI輸入511是cDAQ或cRIO機架中的內置觸發輸入，可用於將類比和/或數位輸入/輸出與外部觸發信號St同步。

圖7是電壓V對時間t的一般曲線圖，示出了示例性增益調整和同步的參考光電偵測器信號SR”和SD”以及用於同步增益調整的參考和偵測器信號SR”和SD”的TTL信號S5。這些信號是使用類比輸入卡514的三個類比輸入收集的。同步由主電腦控制器550執行。增益調整後的同步參考信號和偵測器信號SR”和SD”相對於TTL信號均延遲了短時間延遲Δt。此時間延遲或相位滯後源自FLC偏振開關140的響應中的延遲，並且是恆定的或給定的FLC開關頻率。

為了消除FLC固有響應時間的不利影響，當增益調整和（TE、TM）同步的偵測器以及參考信號SD”和SR”達到穩態時分別進行處理，這些信號分別由SSD”和SSR"表示。當系統100在TE和TM偏振狀態之間切換時，這消除了由於偏振光束112P的衰減引起的信號處理錯誤。按照此程序，偏振轉換光束112PS的TE和TM狀態之間的強度比（體現在測量信號SN的相應部分中）可以在整個測量中保持恆定。使用SSD”和SSR”來計算測量信號SN，即SN = SSD” / SSR”。結果，僅由於樣品的基於應力的特性而發生初始偵測器信號SD中的TE和TM光功率比的變化。

連續模式測量

系統100的一種操作模式是當系統以恆定速度移動樣品300時。此模式在本文中稱為連續測量模式，或僅稱為「連續模式」。

連續模式由平台控制器244和定位平台240啟動，以啟動可移動支撐平台230的運動，直到達到恆定速度為止，此時資料收集開始。可以使用兩種連續模式方法之一執行資料收集，即連續FLC模式（使用基於NI-cDAQ的資料採集系統）和觸發驅動FLC模式（使用基於NI-cRIO的資料採集系統）。

a.  連續FLC模式

連續FLC模式的特徵在於在系統100中執行的許多步驟。在這種模式下，信號控制和處理系統570藉由啟動平台控制器244來啟動定位平台240的移動。一旦定位台240和支撐平台230達到初始位置和期望的恆定速度，則將TTL信號S5從NI數位輸出卡510發送到FLC偏振開關控制器146，FLC偏振開關控制器146繼而驅動FLC偏振開關140。然後，FLC偏振開關140以給定的頻率（例如1kHz）開始在TE和TM模式之間切換偏振光束112P的偏振狀態。在此模式下，FLC在TE和TM模式之間連續振盪光的偏振狀態，直到完成測量為止。

一旦在初始測量點開始測量，I/O控制器502的類比輸入卡514就會連續接收X-Y位置和主要的三個類比信號（TTL信號S5以及增益調整後的參考信號和偵測器信號SR'和SD'），其中增益調整後的測量和參考信號來自增益調整器500，而TTL信號S5來自數位輸出卡510。

經由平台控制器244可存取的軟體命令獲得樣品300的X-Y位置。利用從平台控制器提供給I/O控制器502的位置信號SP。X-Y位置偵測和類比信號偵測之間的時間間隔Δt通常在幾微秒的範圍內，因此與此程序相關的位置誤差微不足道（例如，在0.02mm/s的運動速度下有10 µs的時間間隔導致出現0.2 nm的誤差空間誤差）。當資料被I/O控制器502使用本領域已知的並行處理軟體算法並行處理（消耗）資料時，連續進行資料收集。例如，上述LabVIEW^® 軟體可以用於並行處理資料。

類比輸入卡514用於以例如大約500K樣品/秒的速度高速收集主要模擬信號SD'和SR'。在示例中，模擬輸入卡514和數字輸出卡510被插入到NI cDAQ機架（NI cDAQ-9178）中並由其支撐。如以上結合圖7所描述的，當形成測量信號SN時，將TTL信號S5用作參考信號以區分TE偏振和TM偏振的光強度（信號值）。

取樣和資料採集考慮了取樣速度、FLC偏振開關頻率以及所需的空間解析度/精度。作為示例，如果定位台（並且因此樣品300）以恆定速度（例如0.02mm/s）移動並且FLC偏振開關140以1kHz操作。為了覆蓋TE和TM模式，因此捕獲至少1 ms的值，該值對應於時域中的500個資料點（對於資料採集速度為500K樣品/秒/通道）。此示例情況的取樣量足以測量TE和TM偏振光強度。在測量時間內，樣品移動了20 nm，這與光學系統的空間解析度相比是微不足道的，光學解析度對於來自光源110的初始光束112的藍色405 nm波長約為500 nm。

b.  使用NI-cRIO資料採集系統的觸發驅動FLC模式

在觸發驅動的FLC模式下，樣品300處於選定速度（稱為測量速度）的恆定運動中。來自平台控制器244（見圖5）的觸發信號St用於偵測樣品位置，以啟動FLC偏振開關140，並在樣品達到測量速度時觸發資料採集處理。

在一個示例中，平台控制器244每當其將定位台240（以及因此樣品300）移動選擇的（例如，預定的）距離Δx時，例如每200nm，就生成觸發信號St。一旦定位台240到達其初始測量位置，就透過軟體命令來啟用觸發信號St（例如，一次觸發啟用）。每次定位台240移動預定距離（預編程）Δx時，平台控制器244都會自動將觸發信號St發送至I/O控制器502，尤其是NI-cRIO機架（即I/O控制器502）的PFI輸入511或數位輸出卡510的輸入之一。

一旦cRIO機架接收到觸發信號St，它就使數位輸出卡510生成TTL信號S5，並將其發送到FLC偏振開關控制器146。到類比輸入卡514的三個主要類比輸入（即信號SD'、SR'和S5）的資料採集被配置為由觸發信號St啟動。因此，一旦類比輸入卡514接收到觸發信號St時，對樣品300的單個測量點進行資料採集。在此觸發驅動的FLC模式下，每個觸發信號St對應一個新的資料（測量）點。在I/O控制器502與平台控制器244之間沒有任何其他通信的情況下，在這種模式下可以以高精度實現更快的測量，實際上，與之前所述的連續FLC模式相比，它提供了更加準確、更快的資料收集。另外，在這種模式下，在沒有與運動平台控制器直接通信的情況下（在資料採集過程中），可以實現更強大的軟體體系結構。

本文公開的系統和方法能夠實現在相對短的時間內處理大量測量資料點的能力，此係部分藉由結合取樣定位以及I/O控制器502的並行處理配置，I/O控制器502利用外部觸發信號St以同步測量。在I/O控制器502的示例中使用的小型Ni-cRIO機架是即時控制器、可重新配置的輸入/輸出模塊、FPGA模塊和乙太網路機架的組合。此平台可實現高速和決定性的資料採集，從而導致在短時間內對相對大量的資料進行精確且可控的資料收集。

步進模式

在步進模式下，可以將系統100設計為帶有或不帶有來自平台控制器244的觸發信號St。在任何一種情況下，平台控制器244都被編程為以步進模式移動定位台240，每一步階具有選擇的或預定的距離Δx，例如200nm。一旦定位台240移動單個步階，它將完全停止，直到平台控制器244指示其再次移動。然後可以使用觸發信號St或透過軟體命令監視定位台240的位置和狀態。

與連續模式不同，在步進模式下，一旦定位台240完全停止（樣品300從而停止），就會發生偵測器信號SD、參考信號SR和TTL信號S5的資料收集。FLC偏振開關140可以以連續模式運行，也可以藉由使用來自平台控制器244的觸發信號St來觸發。在觸發模式下，TTL信號S5的長度（在時域內）應至少覆蓋相對於TE和TM狀態的偵測器以及參考信號SD和SR的採集所花費的時間（請例如參見圖5和6）。

在示例中，對於頻率為1 kHz的TTL信號S5，TTL信號的長度應至少為1毫秒（ms）。另一方面，對於FLC偏振開關140以連續模式操作的情況，可以透過軟體命令來啟動資料收集。在任一種情況下，可以藉由利用TTL信號的相位資訊，來分離增益調整後的偵測器信號SD'的TE和TM部分。在這種模式下，測量時間由每個單步運動的運動時間決定。例如，對於200 nm的步長，測量時間可以為50 ms，與資料採集時間（對於1 kHz FLC頻率為1 ms的數量級）相比，此時間要高得多。

光功率信號到折射率的轉換

在系統100中，偵測器信號SD和參考信號SR由增益調節器500（例如，雙通道功率計，例如來自Newport Instruments的型號為2936-R的功率計）進行處理，以便這些電壓信號代表其測得的光功率。在一個示例中，藉由使用以下關係式（方程式3），將偵測器的輸出電壓以及參考信號SD和SR轉換為具有與測量的光功率相對應的電壓的這些信號的增益調整後的形式。

[方程式3] 其中V_measured 是測得的光功率，Detector_Responstivity是偵測器製造商提供的經過校準的偵測器靈敏度。Detector_Responstivity是所使用的光的波長的函數，這些校準值由偵測器製造商提供。Conversion_Factor用於系統100中使用的特定功率偵測器，並取決於資料採集系統的輸入電阻（在這種情況下，＞ 1GΩ）和功率計設置中的範圍（增益）。

圖8A是對於示例樣品300的示例測量掃描的光功率P_optical （任意單位）相對於位置x（mm）的圖。圖8B是對於圖8A的相同示例樣品300，折射率n對位置x（mm）的圖。

使用溫度感測器246和溫度輸入模塊516在每個測量週期的開始獲取樣品300附近的環境溫度。溫度信號ST中體現的測量溫度，被用於使用這些材料的dn / dT的先前已知關係來校正折射率匹配油330和參考塊320的折射率。

在一個示例中，溫度感測器246包括Omega接觸熱電偶，而前述的A NI-9210 C系列溫度輸入模塊被插入到cDAQ機架（I/O控制器502）中，並用於從熱電偶獲取溫度資料。單次測量期間的溫度變化通常小於0.1^o C，該溫度變化太小而無法對測量生成實質性影響。這是因為折射率匹配油330和參考塊320的折射率隨溫度的變化（即dn / dT）分別約為0.0004^o C和約0.000002^o C。0.1度的變化只能使油的折射率變化0.002％。因此，對於一維掃描，在一個示例中，僅在每次掃描開始時執行溫度測量。

藉由使用折射率匹配油330和參考塊320的已知（和存儲的）dn/dT特性，並隨後測量偵測器的光功率以及參考信號SD和SR，可以使用前述方程式2計算對於TE和TM模式的測試樣品300的折射率分佈。藉由此程序，可以在被測樣品的整個厚度（即n_TE (x)和n_TM (x)）上測量TE偏振光（n_TE ）和TM偏振光（n_TM ）的折射率分佈，其中x是進入樣品300的方向。瞭解被測材料的應力-光學係數（SOC），並使用測得的雙折射B(x)=n_TM (x)– n_TE (x)，最終可以經由S(x)= B(x)/SOC計算得出樣品上的應力分佈S(x)。

後處理

本揭示內容的態樣係針對收集的測量資料的後處理。現在討論許多示例後處理步驟。

A.  光功率曲線的斜率校正

後處理步驟的一個目標，是校正與光傳播通過不同材料（包括樣品300、折射率匹配油330和參考樣品塊320）的吸收損失有關的任何誤差，以及與系統100的其他光學元件和光機械組件的瑕疵有關的誤差。由於這種系統的缺陷，光功率與位置曲線的斜率可能會發生變化，並在估計TM和TE折射率n_TM (x)和n_TE (x)以及隨後的應力S(x)時引入較小的誤差。

以下示例程序可用於減少或校正測得的光功率曲線（分佈）中的斜率誤差。

1）測量與要測量的樣品300厚度相同但未經過IOX處理（或其他引起應力的處理）的相似樣品（參考樣品）的光功率曲線，即樣品沒有基於應力的特徵。圖8C類似於圖8A，並示出了非IOX參考樣品的光功率曲線。在沒有IOX引起的折射率變化的情況下，非IOX玻璃參考樣品、折射率匹配油330和參考塊320的光功率曲線應平坦，除了在樣品300和參考塊320之間的界面處。

2)然後決定光功率曲線的每個區域的斜率，以及樣品300與參考塊320之間的界面位置。

3)使用以下公式為光功率曲線的每個點計算斜率校正：

其中P_corrected 和P_measured 分別是校正的和測量的光功率。偏差（x_edge ）是距界面X_edge 的系統偏差BIAS，可以用以下多項式表示

其中n是一個正整數且A_n 是一個係數（此處n被用作數學跟踪下標，而不是折射率）。類似的斜率校正可以應用於其他區域，包括油和參考單元區域。

B.  應力分佈S(x)的外推

系統100的空間解析度受到光學配置和系統中使用的光的波長的限制。因此，系統100具有關於在樣品300的表面附近和/或表面處的應力的測量的一些限制。例如，對於藍色雷射，僅可以在邊緣表面304以下500nm處測量值，而對於紅色雷射，僅可以在表面邊緣以下約1μm處測量。

圖9是示例的玻璃IOX樣品的應力S(x)（MPa）作為位置x（mm）的函數的曲線圖，對於所測分佈（連接的點）和外推分佈S_E (x)（實線）。測得的分佈顯示應力S(x)在x = 0 mm處在樣品表面掉落。為了決定表面處（即S(0)）和表面正下方的應力值S(x)，可使用已知的表面應力值S(0)將應力曲線S(x)外推到表面，已知的表面應力是由其他手段測得，例如其他系統（儀器）或不同於基於RNF的系統和技術的其他技術。

在一個示例中，外推分佈S_E (x)從深度x_S ≥x_M 開始，其中x_M 定義SM = S(x_M )，其中SM是靠近表面(x = 0)的應力分佈S(x)的最大值。在x_C 代表樣品300的中心的示例中，起始深度x_S 可以在從x_M 到x_C 的任何位置。

在另一個示例中，應力分佈S(x)的近表面部分具有膝部形狀，膝部形狀在距樣品表面（x = 0）的膝部深度x_k 處定義了相關的膝部應力S_k ，在示例中，起始深度x_S 可以在x = x_M 到x = x_k 的範圍內。

這裡的假設是，如圖9的曲線所示，在近表面部分中應力分佈S(x)的強烈下降（例如，對於藍光，在x_M ＝ 500nm內）並未真正代表實際應力分佈，這是由於在樣品的近表面區域的RNF測量中的前述的限制。

圖10是測試樣品300的近表面部分的折射率n對x位置（mm）的圖。如圖10所示，可以藉由使用系統100測量的折射率分佈，來選擇測試樣品300的表面位置在油-玻璃界面的中心。利用根據由系統100收集的資料建立的表面位置以及獨立測量（即，由系統100之外）的表面已知應力值，可以獲得完整的應力分佈S(x)。更具體地，可以根據測試樣品的預期應力分佈S(x)，使用線性、多項式或其他已知的外推方法來執行外推。圖9中的實線例如包括針對樣品的近表面部分的測試樣品300的應力分佈S(x)的線性外推部分S_E (x)。

力平衡

在本領域中已知的是，在沒有任何外力的情況下的測試樣品，例如玻璃測試樣品，自然是力平衡的。也就是說，在沒有外力的情況下，樣品上的總淨應力必須為零，即總壓應力的積分等於總拉應力的積分。然而，由於系統100中的光學缺陷以及樣品在光路上的測量光的固有光學衰減，系統100會生成不平衡的應力分佈，這代表了測量誤差。

為了減小或消除此測量誤差，引入了與力平衡條件有關的後處理方法。可以在應力分佈S(x)的各個部分上執行力平衡後處理，例如針對分佈的左側或針對整個應力分佈。通常，應力分佈的左側（更靠近參考框320的一側）是測量最準確的一側。

無論哪種情況，都可以藉由將應力曲線S(x)移向壓縮（正）或拉伸（負）側，直到總積分應力為零來實現力平衡。在此步驟中，由於使應力分佈向上或向下移動，表面應力S(0)傾向於略有變化。這可以藉由使用上述外推方法進行校正。可能需要進行一些迭代才能使表面應力S(0)和力平衡達到可接受的值。在一個示例中，應力曲線的積分是藉由使用Simpson規則執行的。

在力平衡期間，應力曲線向上和向下移動，因此外推曲線的表面應力發生變化。因此，在完成力平衡後，再次進行外推以將表面應力恢復到其原始值很重要。但是，根據對表面應力的重新校正（外推）施加多少擾動，可能還需要重新進行力平衡。通常，力平衡和外推都應進行足夠的次數（N次），直到表面應力和力平衡值均可接受為止。遵循上述步驟，可以最準確地表示實際的全部應力分佈，並可以對總拉應力和壓應力進行最佳預測。

圖11A類似於圖9，並包括外推應力分佈S(x)以及左側（一半）力平衡曲線（如「1/2FB」所示），曲線在示例中執行了從樣品中心到表面的力平衡。圖11A還包括具有中央張力（CT）校正的半力平衡曲線，如「1/2FB + CT」所示。

圖11B類似於圖11A，並繪製了示例IOX樣品300的應力曲線S(x)對位置x (mm)，特寫插圖顯示了應力曲線的近表面部分，部分具有膝部形狀，形狀定義了距樣品表面（x = 0）膝部深度x_k 的相關聯的膝部應力S_k 。圖11B的示例性IOX樣品300的膝部應力S_k 在距樣品表面約15微米的膝部深度x_k 處約為S_k ＝ 145MPa。圖11C與圖11B類似，並示出了另一示例IOX樣品的應力分佈S(x)，其中在大約x_k ＝ 5微米的膝部深度處，膝部應力S_k 為大約310MPa。

中心張力（CT）校正

中心張力（CT）是樣品300中心處的應力S。如果樣品的中心位置在x = x_C ，則CT = S(x_C )。系統100和偏振濾波中的缺陷會導致中心張力CT偏離其正確值。

可以藉由使用系統100測量參考樣品的中心張力CT來估算CT誤差。參考樣品與實際測量的樣品相同，除了它沒有明顯的基於誘導應力的特性。例如，它是與IOX樣品相同的玻璃材料，但尚未經過IOX處理。在參考樣品中，中心張力CT理想為零。實際上，由於參考樣品的CT測量值應為零，因此此知識可用於評估系統100中CT測量的精度。如果參考樣品被系統100測量為具有中心張力CT的量CT_R （例如，CT_R ），則此測量量CT_R （對於理想的系統100實際上應為零）被視為系統偏移量並且用於校正測得的IOX樣品300的中心張力。

可以藉由將力平衡應力分佈S(x)乘以系統100以外的其他方式（例如，使用散射偏振計）測得的正確中心張力CT與系統100測量的力平衡應力分佈的測得的CT之比，來進行中心張力CT的校正。在示例中，進行中心張力CT的多個外部測量，然後取平均值（例如16次測量），以合理的精度和精度獨立地建立中心張力CT值。圖11A還示出如上所述進行CT校正之前和之後的應力分佈S(x)。

二維應力掃描能力

圖12A和12B示出了利用不同掃描路徑SP1與SP2的兩種不同的掃描模式，這些不同掃描路徑可以用於建立樣品300的二維（例如，x和y，如圖所示）的基於應力的特性。可以將掃描路徑SP1和SP2視為焦點260相對於樣品300的移動。

圖12A的掃描路徑SP1包括包括雙向掃描，其中樣品300在光束的入射點上的移動在x和y方向上均進行。在固定位置y上進行x方向的運動，直到在x方向上所需的掃描長度結束為止。接下來是在y方向上移動一個步長dy，然後繼續移動，但現在是從最大偏移x到原點的反向x方向。隨後，根據需要多次進行相同的程序以對樣品300的感興趣區域進行光柵掃描。使用掃描路徑SP1的主要優點是使行進的總距離最小化，因此可以減少測量時間。

圖12B的掃描路徑SP2以單個方向（例如，+x方向，如圖所示）以相反方向的回掃運動（虛線）進行掃描，但是具有偏移dy。在回掃運動期間，不會獲取任何資料。可以在回掃期間完成向新y位置的移動，如回掃結束或開始所示。由於回掃處理不會獲取資料，因此會導致額外的測量時間。然而，藉由系統100的定位台240整合，實現和獲取要簡單得多。

連續模式和步進模式取樣

圖13A和圖13B是示出用於使用系統100的資料收集方法的前述連續模式（圖13A）和步進模式（圖13B）的示意圖。參考圖13A，不僅在位置x_j 上而且在所需位置之前和之後的整個運動過程中連續測量笛卡爾方向x和y中的至少一個。字母j是代表第j個位置的索引。藉由示例示出了x坐標。

在這種情況下，還使用連續FLC模式或觸發驅動的FLC模式連續進行偏振測量。根據在圍繞所需位置x_j 的移動過程中獲得的測量值的平均值，將最終結果分配給特定位置x_j 。在連續採集模式下，樣品300需要以恆定的測量速度到達第一測量點。因此，樣品移動要在第一個點之前開始，以使樣品加速到測量速度。

參考圖13B所示，在步進（或分立）模式下，樣品300在選擇位置x_j 處停止。在這種情況下，每個偏振測量都是在系統停止在特定位置（即第j個位置）時進行的。一旦完成對分立點的測量，就將樣品300以選定的移動增量移動到相鄰位置，並進行下一次測量。重複此處理，直到測量出所需長度或面積的末端為止。

在本發明技術領域中具有通常知識者將顯然瞭解到，可對本文所說明的揭示內容的較佳具體實施例進行各種修改，而不脫離如界定於附加申請專利範圍中的揭示內容的精神與範圍。因此，本揭示內容涵蓋修改與變異，只要此種修改與變異位於附加申請專利範圍及其均等範圍之內。

100:RNF測量系統 110:光源 112:光束 120:偏振控制器 122:輸入端 124:輸出端 126:單模光纖 128:光纖槳狀件 130:光源系統 132:準直透鏡 140:偏振開關 146:偏振開關控制器 148:偏振切換系統 150:分束元件 152:孔口 160:參考偵測器系統 162:聚焦透鏡 164:共焦孔口 165:軸向開口 166:參考光電偵測器 168:光敏表面 170:參考臂 180:光轉向構件 182:反射表面 200:第一扇形孔徑光闌 202:離軸第一開口 204:頂點 220:物鏡 230:可移動的支撐平台 232:上表面 236:孔口 240:定位台 244:平台控制器 246:溫度感測器 248:樣品定位系統 250:蓋玻片 252:頂表面 254:底表面 260:焦點 270:掃描光學系統 300:樣品 304:邊緣表面 306:表面 308:表面 320:參考塊 322:頂表面 324:前表面 326:抗反射（AR）塗層 330:折射率匹配油 360:第二扇形孔徑光闌 362:第二開口 364:半圓形可移動部分 366:中央盤 368:中央緊固構件 369:內部邊緣 400:信號偵測器系統 410:中繼光學系統 420:共焦可變孔 422:同軸開口 430:信號光偵測器 432:光敏表面 470:信號臂 500:增益調節器 502:輸入/輸出（I/O）控制器 505:輸入線 510:數位輸出卡 511:PFI輸入 514:類比輸入卡 516:溫度輸入模塊 550:主電腦控制器 552:處理器 554:記憶體單元（「記憶體」） 570:信號控制和處理系統 101SG:信號生成部分 101SP:信號處理部分 112C1:準直光束 112D1:發散光束 112F1:第一聚焦光束 112F2:光束 112H:TM偏振 112PS:偏振切換光束 112R:參考光束 112V:TE偏振 112W:楔形離軸偏振切換光束 120P:偏振光束 412a:透鏡元件 412b:透鏡元件

包含附加圖式以期進一步瞭解本說明，這些圖式被併入本說明書且構成本說明書的一部分。圖式圖示說明一或更多個具體實施例，並與實施方式一起用於解釋各種具體實施例的原理與作業。因此，在連同附加圖式一起閱讀下面的實施方式時，將可更加瞭解本揭示內容，在附加圖式中：

圖1A是根據本揭示內容的示例RNF測量系統的一般示意圖。

圖1B是圖1A的示例RNF測量系統的詳細示意圖。

圖1C是圖1B的RNF測量系統的參考臂的特寫視圖，示出了系統的此部分的另一示例配置，其中偏振切換光束的參考部分透射藉由分束元件中的孔以限定參考光束，從而避免必須偵測反射的參考光束。

圖2A是示例共焦孔的特寫正視圖。

圖2B和2C分別是第一和第二扇形孔徑光闌的示例的特寫正視圖。

圖3A是佈置在圖1B的RNF測量系統中的蓋玻片上的參考塊和樣品的正視圖。

圖3B是樣品的正視圖，其中邊緣表面（304）是輸入側，即與蓋玻片和折射率匹配油接觸的一側，並且其中表面（306）與參考塊接觸（參見圖3A）。

圖4A是示例RNF測量配置的示意圖，其示出了沿著傳播方向k（即k向量，表示為k）傳播的光的一部分中的光線之一的電場向量E的偏振態，並且還表示極角β和方位角η。

圖4B是信號光偵測器的特寫側視圖，示出了入射到信號光偵測器上的聚焦偏振轉換光束，其中心光線垂直入射，並且示出了聚焦偏振轉換光束的角度範圍Δθ。

圖5是RNF系統的信號控制和處理系統的示例配置的示意性特寫圖，其中信號控制和處理系統包括I/O控制器，I/O控制器促進了對大量樣品測量的快速資料處理，並且根據測量模式可以包含cDAQ機架或cRIO機架。

圖6是連續模式和步進模式實施例共同的示例資料收集方法的示意圖。

圖7是電壓V對時間t的一般曲線圖，示出了示例的同步和增益調整的參考信號和偵測器信號SR”和SD”，以及由I/O控制器的類比I/O卡收集的TTL數位控制信號S5，圖示說明了如何使用TTL信號S5識別用於計算測量信號SN = SSD” / SSR”的同步和增益調整參考信號和偵測器信號的穩態部分SSR”和SSD”。

圖8A是對於示例性樣品的示例性測量掃描的光功率P_optical （任意單位）（左縱軸）和折射率n（右縱軸）相對於位置x（mm）的圖。

圖8B是與圖8A相同的示例玻璃樣品的折射率n對位置x（mm）的圖。

圖8C類似於圖8A，並示出了非IOX參考樣品的光功率曲線。

圖9是示例的玻璃IOX樣品的（壓縮）應力S(x)（MPa）作為位置x（mm）的函數的曲線圖，對於所測分佈（連接的圓）和外推分佈S_E (x)（實線）。

圖10是測試樣品的近表面部分的折射率n對x位置（mm）的圖。

圖11A類似於圖9，並示出了外推應力曲線S(x)以及左側力平衡曲線（亦即半力平衡或「1/2FB」）和帶有中心張力（CT）校正的半力平衡曲線，表示為「1/2FB+CT」。

圖11B類似於圖11A，並繪製了示例IOX樣品的應力曲線S(x)，特寫插圖顯示了應力曲線的近表面部分，部分具有膝部形狀，形狀定義了距樣品表面（x = 0）膝部深度x_k 的相關聯的膝部應力S_k 。

圖11C與圖11B類似，並示出了另一示例樣品的應力分佈S(x)，其中在大約x_k ＝ 5微米的膝部深度處，膝部應力S_k 為大約310MPa。

圖12A和12B示出了利用不同掃描路徑的兩種不同的掃描模式，這些不同掃描路徑可以用於建立二維（例如，x和y，如圖所示）的基於應力的特性。

圖13A和圖13B是示出用於使用在此公開的RNF系統的資料收集的前述連續模式（圖13A）和步進模式（圖13B）的示意圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:RNF測量系統

130:光源系統

148:偏振切換系統

160:參考偵測器系統

101SG:信號生成部分

101SP:信號處理部分

112F2:光束

112PS:偏振切換光束

248:樣品定位系統

300:樣品

400:信號偵測器系統

502:輸入/輸出(I/O)控制器

570:信號控制和處理系統

Claims (10)

1. 一種折射近場（RNF）測量系統，用於測量一樣品的至少一個基於應力的特性，該系統包括： a）一信號生成部，該信號生成部生成一偏振切換（PS）偵測器以及具有一PS頻率的參考信號SD和SR，該PS頻率表示在一橫向電（TE）偏振和一橫向磁（TM）偏振之間切換一測量光束； b）一信號處理部，該信號處理部與該信號生成部電連通，並配置為接收和並行處理該等PS偵測器和參考信號，該信號處理部包括： i）一增益調節器，該增益調節器被配置為接收該等PS偵測器和參考信號SD和SR，並執行一增益調節以定義增益調整後的PS偵測器和參考信號SD'和SR'； ii）一數位輸入/輸出（I/O）卡，該數位I/O卡被配置為生成定義該PS頻率的一數位控制信號S5； iii）一類比輸入卡，該類比輸入卡電連接到該增益調節器和該數位I/O卡，並配置為接收該等增益調整後的PS偵測器以及參考信號SD'和SR'和該數位控制信號S5，並使用該數位控制信號同步該等PS增益調整後的偵測器和參考信號，以定義PS增益調整後的同步偵測器和參考信號SD”和SR”，該等PS增益調整後的同步偵測器和參考信號SD”和SR”中的每個信號具有各自的穩態部分SSD”和SSR”；和 iv）一電腦/控制器，配置為： 接收該等PS增益調整後的同步偵測器和參考信號SSD”和SSR”，並使用這些信號的穩態部分SSD”和SSR”來定義一測量信號SN = SSD” / SSR”；和 使用該測量信號SN計算至少一個基於應力的特性。
2. 如請求項1所述之RNF測量系統，其中該增益調節器被配置為分別向該等增益調節後的PS偵測器以及參考信號SD'和SR'提供偵測器信號和參考信號電壓，該等偵測器信號和參考信號電壓分別代表一偵測到的光信號功率和一參考光信號功率。
3. 如請求項1或2所述之RNF測量系統，其中該數位控制信號具有一時序，且其中該信號生成部包含一可動支撐平台、一定位台以及一平台控制器，該可動支撐平台可動地支撐該樣品，該定位台可動地支撐該可動支撐平台以定義一取樣位置與一取樣速度，該平台控制器控制該定位台，且其中該平台控制器將一觸發信號提供給該數位I/O卡，以根據該取樣位置和該取樣速度設置該數位控制信號的該時序。
4. 如請求項1或2所述之RNF測量系統，其中該偏振開關包含一鐵電液晶（FLC）偏振旋轉器。
5. 如請求項1或2所述之RNF測量系統，其中該信號生成部包含一偏振開關，且其中該PS偵測器信號在該樣品以一固定速度移動的同時並在使該偏振開關以該PS頻率連續操作的同時穿過該樣品。
6. 一種使用一折射近場（RNF）測量系統測量一樣品的至少一個基於應力的特性的方法，該樣品具有應力誘發的特性，該方法包含以下步驟： 生成偏振切換（PS）偵測器以及具有一PS頻率的參考信號SD和SR，該PS頻率表示在一橫向電（TE）偏振和一橫向磁（TM）偏振之間切換一測量光束，此係藉由偵測具有該PS頻率的PS偵測器與參考光信號，該PS頻率由受一數位控制信號控制的一偏振開關定義； 對該等PS偵測器和參考信號SD和SR執行一增益調節，以定義增益調整後的偵測器和參考信號SD'和SR'； 使用該數位控制信號使該等增益調整後的PS偵測器與參考信號SD'和SR'同步，以定義增益調整後的同步PS偵測器和參考信號SD”和SR”，該等增益調整後的同步PS偵測器和參考信號SD”和SR”中的每一個分別具有穩態部分SSD”和SSR”； 使用這些信號的該等穩態部分SSD”和SSR”來定義一測量信號SN = SSD”/SSR”；和 使用該測量信號SN計算該至少一個基於應力的特性。
7. 如請求項6所述之方法，其中該至少一個基於應力的特性包括以下各項中的至少一項：一雙折射；一應力分佈；一表面應力；一膝部應力；和一中心張力。
8. 如請求項6或7所述之方法，其中： 該PS偵測器光信號在該樣品以一固定速度移動的同時並在使該偏振開關以該PS頻率連續操作的同時穿過該樣品，或者 該PS偵測器光信號在該樣品以一固定速度移動通過不同測量位置的同時並在由受一平台控制器控制的一定位台移動的同時穿過該樣品，該平台控制器生成表示該等不同測量位置的一位置信號，且其中該平台控制器生成觸發信號以在該等測量位置啟動該偏振開關，或者 該PS偵測器光信號在該樣品步進移動至個別測量位置的同時穿過該樣品，該等個別測量位置係由受一平台控制器控制的一定位台定義，其中該平台控制器生成表示該等個別測量位置的一位置信號，且其中該平台控制器生成一觸發信號以在該等個別測量位置啟動該偏振開關。
9. 如請求項6或7所述之方法，其中執行該增益調節之步驟包含以下步驟：分別向該等增益調節後的PS偵測器以及參考信號SD'和SR'提供偵測器信號和參考信號電壓，該等偵測器信號和參考信號電壓分別代表對該等偵測器光信號的一偵測到的光信號功率和對該等參考光信號的一參考光信號功率。
10. 如請求項6或7所述之方法，該方法包含以下步驟：沿著僅在一第一方向上延伸的一未折疊的第一光軸生成該參考光信號；以及沿著該第一光軸偵測該參考光信號。

Images