TWI820109B - 用於估計經化學強化之物件中之應力的方法及系統 - Google Patents

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Abstract

稜鏡耦合系統及方法包括使用一稜鏡耦合系統收集一經化學強化之物件的初始TM及TE模式光譜，該經化學強化之物件具有具一近表面尖峰區域及一深區域之一折射率分佈。檢查該等初始TM及TE模式光譜以查看該等模式光譜是否落在一較佳量測窗內，該較佳量測窗可在一選擇容限內產生該膝應力之一準確估計值。若不在該較佳量測窗內，則改變該稜鏡耦合系統之量測組態，且收集新的TM及TE模式光譜。重複此程序，直至該等新的TM及TE模式光譜落在該較佳量測窗內。接著使用該等新的TM及TE模式光譜以判定該膝應力。改變該量測組態可包括改變量測波長、分界流體厚度及分界流體折射率中之至少一者。

Description

用於估計經化學強化之物件中之應力的方法及系統
本申請案主張在2018年6月29日申請之美國臨時申請案第62/692,233號及在2018年4月2日申請之美國臨時申請案第62/651,442號的優先權權益，依賴每一美國臨時申請案之內容且該內容係以全文引用的方式併入本文中。
本發明係關於玻璃基離子交換(IOX)物件，且詳言之係關於特性化具有一延長(即，相對較大)量測製程窗的玻璃基經化學強化之物件中之應力的稜鏡耦合系統及方法，其中該等經化學強化之物件具有包括一近表面尖峰區域之一折射率分佈。
經化學強化之玻璃基物件係藉由使玻璃基基板經受化學改質以改良諸如硬度、抗折能力等的至少一個強度相關特性而形成。已發現經化學強化之玻璃基物件作為用於基於顯示之電子裝置、尤其諸如智慧型電話及平板之手持式裝置之蓋玻璃的特別用途。
在一種方法中，化學強化係藉由離子交換(IOX)製程來達成，藉此玻璃基基板之基質中之離子(「原生離子」或「基板離子」)將由例如來自熔浴的外部引入(即，置換或內擴散)離子置換。強化通常在置換離子大於原生離子時發生(例如，Na+ 或Li+ 離子由K+ 離子置換)。IOX製程在玻璃中產生自物件表面延伸至基質中之IOX區域。IOX區域限定基質內的具有層深(depth of layer；DOL)之折射率分佈，層深表示相對於物件表面量測的IOX區域之大小、厚度或「深度」。折射率分佈亦限定應力相關特性，包括應力分佈、表面應力、壓縮深度、中心張力、雙折射性等。折射率分佈亦可限定玻璃基物件中之光學波導，當折射率分佈滿足此項技術中已知之準則時，光學波導對於給定波長之光支援m 數目個導引模式。
稜鏡耦合系統及方法可用於量測形成於玻璃基IOX物件中之平坦光學波導之導引模式的光譜，以特性化IOX區域之一或多個性質，諸如折射率分佈及前述的應力相關特性。此技術已用於量測用於多種應用、諸如用於顯示器(例如，智慧型電話)的經化學強化之覆蓋件的玻璃基IOX物件之性質。此等量測係用於品質控制目的，以確保IOX區域具有所要特性且落在針對給定應用的所選特性中之每一者之選擇設計容限內。
儘管稜鏡耦合系統及方法可用於許多類型之習知玻璃基IOX物件，但此等方法對特定的玻璃基IOX物件亦不起作用且有時完全不起作用。舉例而言，特定類型之IOX玻璃基物件係藉由第一及第二離子擴散形成之實際雙重IOX (DIOX)玻璃基物件，該等離子擴散產生兩部分分佈。第一部分(第一區域)直接鄰近基板表面且具有相對陡之斜率，而第二部分(第二區域)更深地延伸至基板中，但具有相對淺之斜率。第一區域被稱為尖峰區域或僅稱為「尖峰」，而第二區域被稱為深區域。光學波導係由尖峰區域及深區域限定。
此等兩區域分佈導致具有相對高有效折射率的低階模式之間的相對較大間隔，及具有接近臨界角之相對低有效折射率的高階模式之間的極小間隔，臨界角限定導引模式的全內反射(total-internal reflection; TIR)與所謂洩漏模式的非TIR之間的邊界或過渡。在模式光譜中，為了方便起見，臨界角亦可稱作「臨界角過渡」。會發生導引模式僅能夠在光學波導之尖峰區域中傳播的情況。導引或洩漏模式僅在尖峰區域中傳播使得難以區分僅在尖峰區域中導引之光與在深區域中導引之光，但亦非不可能的。
根據具有兩區域分佈之玻璃基IOX物件的模式光譜來判定臨界角之精確位置存在問題，此係因為接近臨界角駐留之導引模式使臨界角過渡處之強度分佈失真。此又使模式條紋之小數的計算且因此尖峰區域之深度及應力相關參數的計算失真，計算包括尖峰區域之底部處之壓縮應力的計算，壓縮應力被稱為「膝應力」且表示為CSk 。
事實證明，膝應力CSk 係玻璃基IOX物件之重要性質，且膝應力之量測可在大規模製造經化學強化之玻璃基物件時用於品質控制。不幸地，上述量測問題在使用稜鏡耦合系統對IOX物件進行量測以用於品質控制時強加嚴格限制，此係因為膝應力CSk 之準確估計需要針對橫向電場(transverse electric; TE)及橫向磁性(transverse magnetic; TM)導引模式準確地確定臨界角過渡。
本文中所描述之方法係關於在量測包括一近表面尖峰區域之IOX物件時最佳化一稜鏡耦合系統之效能。該最佳化係關於量測窗，且特別地使量測窗增大，使得在量測一IOX物件時可獲得至少一個應力參數之準確估計值。實例應力相關參數包括膝應力CSk 及尖峰深度D1、中心張力CT、張力-應變能TSE及與中心張力CT及/或張力-應變能TSE相關的易碎性之估計值。
該等稜鏡耦合系統及方法包括使用一稜鏡耦合系統收集一經化學強化之物件的初始TM及TE模式光譜，該經化學強化之物件具有具一近表面尖峰區域及一深區域之一折射率分佈。檢查該等初始TM及TE模式光譜以查看該等模式光譜是否落在一較佳量測窗內，該較佳量測窗可在一選擇容限內產生該膝應力之一準確估計值。若不在該較佳量測窗內，則改變該稜鏡耦合系統之量測組態，且收集新的TM及TE模式光譜。重複此程序，直至該等新的TM及TE模式光譜落在該較佳量測窗內。接著使用該等新的TM及TE模式光譜以判定該膝應力。改變該量測組態可包括改變量測波長、分界流體厚度及分界流體折射率中之至少一者。
本文中所揭示之該等系統及方法亦實現用於製造IOX物件、尤其由具有大壓縮深度之Li基基板製成之IOX物件的較寬製造窗。在許多情況下，在具有近表面尖峰區域R1之含鋰鋁矽酸鹽玻璃基IOX物件的生產中之製造窗已由可用品質控制量測窗之大小限制，而非由製造條件之範圍及允許在較佳範圍內之優異機械效能的應力分佈參數限制。
本文中所揭示之該等系統及方法亦抑制應力相關特性之錯誤肯定量測。習知量測系統及方法允許量測之IOX物件在應力分佈之定義特徵(尤其係CSk )的值不在較佳範圍中之情況下通過品質控制。此可由於當量測具有尖峰區域之IOX物件時的量測方法及稜鏡耦合系統組態之不準確性(漏洞)而發生。此等漏洞在一些情況下與針對直接鄰近較佳量測窗之模式光譜出現的失真相關，而在一些間接方法之情況下，該等方法涉及移位製程目標以經由分佈參數之一不同組合、大多藉由具有較小CSk 、但較高鉀尖峰DOL或較高表面CS之一組合來達成最高階導引模式的類似雙折射性。
本文中所描述之該等方法及系統提供在較佳量測窗中之量測，失真在較佳量測窗中減至最小，且此外，將在較佳量測窗中量測之直接膝應力CSk 用於驗證對混合式方法的間接分量之校準係正確的。
本發明之一實施例係一種減小經化學強化之玻璃基物件中之膝應力的量測中之系統誤差的方法。該方法包含：收集橫向磁性(TM)及橫向電場(TE)光學偏光狀態中之每一者的一第一角耦合光譜；針對TM及TE光學偏光中之每一者評估藉由稜鏡耦合獲得之角譜是否在較佳量測窗中；若TM及TE光譜中之至少一者在較佳量測窗外，則採取校正動作；及若TM及TE光譜均在其各自較佳量測窗中，則接受且完成量測。
本發明之另一實施例係一種設備，該設備經組態以執行上述方法。該設備包含配備的基於稜鏡耦合之應力計，該應力計用以使用至少兩個波長順序地或同時地執行量測。該應力計包含：一稜鏡，該稜鏡將來自至少一個光源之光耦合至一樣本；一偏光裝置，該偏光裝置選擇量測波長下之TM及TE稜鏡耦合光譜；及一感測器裝置，該感測器裝置捕獲TM及TE光譜。
本發明之另一實施例係一種估計一經化學強化之物件中之一膝應力的方法，該物件具有具一近表面尖峰區域及一深區域的一折射率分佈，該等區域限定一玻璃基基板中之一光學波導，該方法包含：a)使用以一初始量測組態設定之一稜鏡耦合系統，從而收集該經化學強化之物件的TM及TE模式光譜；b)檢查該等TM及TE模式光譜且發現該等模式光譜不落在一較佳量測窗內，該較佳量測窗可在一選擇容限內產生該膝應力之一準確估計值；c)改變該稜鏡耦合系統之該量測組態一或多次，且量測新的TM及TE模式光譜，直至該等新的TM及TE模式光譜落在該較佳量測窗內；及d)使用該等新的TM及TE模式光譜以判定該膝應力。
本發明之另一實施例係一種在經化學強化之離子交換(IOX)物件中執行一量測膝應力的方法，該IOX物件具有一近表面尖峰區域及一深區域，該等區域限定一玻璃基基板中之一光學波導，該方法包含：a)使用一稜鏡耦合系統收集該光學波導的包含一第一橫向磁性(transverse magnetic; TM)模式光譜及一第一橫向電場(transverse electric; TE)模式光譜之一第一模式光譜，該稜鏡耦合系統具有一耦合稜鏡且處於藉由一第一量測波長及駐留在該耦合稜鏡與該IOX物件之間的一界面處的一分界流體之一厚度及折射率限定之一第一組態下；b)評估該第一TM模式光譜及該第一TE模式光譜，且發現該TM模式光譜及該TE模式光譜中之至少一者駐留在一較佳量測窗外，該較佳量測窗允許在一選擇容限內估計該膝應力；c)藉由調整該量測波長、該分界流體之該厚度及該分界流體之該折射率中的至少一者而使該稜鏡耦合系統處於一第二組態下；d)利用處於該第二組態下之該稜鏡耦合系統來收集該光學波導的包含一第二TM模式光譜及一第二TE模式光譜之一第二模式光譜，其中該第二組態使該第二TM模式光譜及一第二TE模式光譜處於該較佳量測窗內；及e)使用該第二TM模式光譜及一第二TE模式光譜判定該膝應力在該選擇容限內。
本發明之另一實施例係一種用於量測一經化學強化之離子交換(IOX)物件之一應力特性的稜鏡耦合系統，該IOX物件具有一近表面尖峰區域及一深區域，該等區域形成於一玻璃基基板中且限定一光學波導，該稜鏡耦合系統包含： a)一耦合稜鏡，該耦合稜鏡具有一輸入表面、一輸出表面及一耦合表面，且其中該耦合表面在一基板上部表面處與該波導分界，由此限定一界面，該界面具有具一分界流體折射率及一厚度之一分界流體； b)一真空系統，該真空系統以氣動方式連接至該界面且經組態以改變該界面處之一真空量； c)一分界流體供應器，該分界流體供應器流體地連接至該界面且經組態以將一或多種分界流體供應至該界面； d)一光源系統，該光源系統發射具有可自多個不同量測波長選擇之一量測波長的量測光，其中該量測光穿過該稜鏡之該輸入表面照明該界面，由此形成退出該耦合稜鏡之該輸出表面的反射光，其中該反射光限定一橫向磁性(transverse magnetic; TM)模式光譜及一橫向電場(transverse electric; TE)模式光譜； e)一光偵測器系統，該光偵測器系統經配置以接收來自該耦合稜鏡之該反射光及偵測該第一TM模式光譜及該第一TE模式光譜； f)一控制器，該控制器經組態以執行以下動作： a. 處理該第一TM模式光譜及該第一TE模式光譜，以發現該第一TM模式光譜及該第一TE模式光譜中之至少一者駐留在一較佳量測窗外，該較佳量測窗允許在一選擇容限內自該第一TM模式光譜及該第一TE模式光譜估計該膝應力； b. 藉由調整以下各項中之至少一者而使該稜鏡耦合系統處於一第二組態下：i)該量測波長、ii)該分界流體之該厚度及iii)該分界流體之該折射率； c. 利用處於該第二組態下之該稜鏡耦合系統來收集一第二TM模式光譜及一第二TE模式光譜，其中該第二組態使該第二TM模式光譜及一第二TE模式光譜處於該較佳量測窗內；及 d. 使用該第二TM模式光譜及一第二TE模式光譜判定該膝應力在該選擇容限內。
本發明之另一實施例係一種用於量測一經化學強化之離子交換(IOX)物件之一應力特性的稜鏡耦合系統，該IOX物件具有一近表面尖峰區域及一深區域，該等區域形成於一玻璃基基板中且限定一光學波導，該稜鏡耦合系統包含：一耦合稜鏡，該耦合稜鏡具有一輸入表面、一輸出表面及一耦合表面，且其中該耦合表面在一基板上部表面處與該波導分界，由此限定一界面，該界面具有具一分界流體折射率及一厚度之一分界流體；一光源系統，該光源系統經組態以發射具有一可選擇量測波長之量測光，其中該量測光穿過該稜鏡之該輸入表面照明該界面，由此形成退出該耦合稜鏡之該輸出表面的反射光，其中該反射光限定一橫向磁性(transverse magnetic; TM)模式光譜及一橫向電場(transverse electric; TE)模式光譜；一光偵測器系統，該光偵測器系統經配置以接收來自該耦合稜鏡之該反射光及偵測在一初始量測波長下之一初始TM模式光譜及一初始TE模式光譜；一控制器，該控制器經組態以執行以下動作： i) 處理該初始TM模式光譜及該初始TE模式光譜，且發現該第一TM模式光譜及該第一TE模式光譜中之至少一者駐留在一較佳量測窗外，該較佳量測窗允許在一選擇容限內自該第一TM模式光譜及該第一TE模式光譜來估計該膝應力； ii) 將該光源之該量測波長一或多次地改變至該等可選擇量測波長且收集各別一或多個新的TM模式光譜及一或多個新的TE模式光譜，直至該新的TM模式光譜及該新的TE模式光譜駐留在該較佳量測窗內；及 iii) 使用駐留在該較佳量測窗內之該新的TM模式光譜及該新的TE模式光譜來判定該膝應力在該選擇容限內。
額外特徵及優點將在隨後之實施方式中闡述，且將部分地自描述對熟習此項技術者顯而易見或藉由實踐如書面描述及關於此之技術方案以及隨附圖式中所描述之實施例來認識。將理解，先前一般描述及隨後的實施方式均者僅為例示性的，且意欲提供用於理解技術方案之本質及特性的概述或架構。
現在詳細參考本發明之各種實施例，在附圖中圖示了該等實施例之實例。只要可能，遍及圖式使用相同或類似之參數數字及符號，以指代相同或類似之部分。圖式未必按比例，且熟習此項技術者將認識到圖式已經簡化以圖示本發明之關鍵態樣。
字首語IOX可視論述之上下文而意味「離子交換」或「經離子交換」。「IOX物件」意味使用至少一個IOX製程形成之物件。因此，由DIOX製程形成之物件在本文中被稱為IOX物件，但該物件亦可被稱為DIOX物件。
術語「玻璃基」在本文中用於描述包含或組成玻璃或玻璃陶瓷之材料、物件、基質、基板等。
IOX物件之壓縮應力分佈表示為CS(x)且在本文中亦被僅稱為應力分佈。應力分佈之表面壓應力或僅「表面應力」表示為CS且係x = 0時的壓縮應力分佈CS(x)之值，即，CS = CS(0)，其中x = 0對應於IOX物件之表面。
壓縮深度DOC係進入IOX物件中之x距離，如自IOX物件之表面至壓縮應力CS(x)或CS'(x)超過零之處所量測。
膝應力表示為CSk 且係尖峰區域(R1)與深區域(R2)之間的膝過渡點(深度D1)處的壓縮應力之量，即，CS(D1) = CSk 。
尖峰區域R1具有自基板表面起之尖峰深度，該尖峰深度表示為D1及DOLsp 兩者，其中後一者亦被稱為尖峰層深。尖峰區域亦被稱為「近表面尖峰區域」以使與深區域之區分清楚。
深區域R2具有深度D2，該深度亦表示為總IOX區域之總層深DOLT 。
字首語FWHM意味「半高寬」。
術語「較佳量測窗」及「延長量測窗」係同義的。
下文所陳述之技術方案經併入此實施方式中且構成此實施方式之部分。
實例稜鏡耦合系統及量測方法係例如在以下各者中描述：在2016年12月8日公告的題為「METHODS OF CHARACTERIZING ION-EXCHANGED CHEMICALLY STRENGTHENED GLASSES CONTAINING LITHIUM」之美國申請案公開第2016/0356760號(亦公告為WO 2016/196748 Al)；在2018年2月20日頒佈的題為「METHODS OF CHARACTERIZING ION- EXCHANGED CHEMICALLY STRENGTHENED GLASSES CONTAINING LITHIUM」之美國專利第9,897,574號；及在2017年7月28日申請的題為「METHODS OF IMPROVING THE MEASUREMENT OF KNEE STRESS IN ION-EXCHANGED CHEMICALLY STRENGTHENED GLASSES CONTAINING LITHIUM」之美國申請案第62/538335號；及在2017年1月3日頒佈的題為「PRISM-COUPLING SYSTEMS AND METHODS FOR CHARACTERIZING ION-EXCHANGE WAVEGUIDES WITH LARGE DEPTH-OF-LAYER」之美國專利第9,534,981號，該等專利申請案中之一者係以全文引用的方式併入本文中。
IOX 物件
第1A圖係實例IOX物件10之立視圖。IOX物件10包含具有基質21之玻璃基基板20，該基質限定(頂部)表面22，其中該基質具有基本(塊體)折射率ns 及表面折射率n0 。第1B圖係如在x-y平面中截取的IOX物件10之近視橫截面圖且圖示一實例DIOX製程，該實例DIOX製程在表面22上發生且在x方向上進入至基質21中以形成實例IOX物件。
基板20包括處於基質21中之基板離子IS，該等基板離子交換第一離子I1及第二離子I2。第一及第二離子I1及I2可使用已知技術順序地或同時地引入至基質21中。舉例而言，第二離子I2可係為了強化在引入第一離子I1之前經由KNO3 浴引入之K+ 離子，該等第一離子可為經由含AgNO3 之浴引入之Ag+ 離子以鄰近表面22添加抗微生物性質。第1B圖中的表示離子I1及I2之圓圈僅用於示意圖示目的，且該等圓圈之相對大小未必表示參與離子交換之實際離子的大小之間的任何實際關係。第1C圖示意性地圖示形成IOX物件10之DIOX製程的結果，其中為了易於說明，在第1C圖中省略基板離子IS，且認為該等基板離子構成基質21。DIOX製程形成包括近表面尖峰區域R1及深區域R2之IOX區域24，如下文所解釋。IOX區域24限定一光學波導26。
另外，離子I1可大量地存在於區域R1及R2兩者中(參見第2圖，將在下文引入並論述)以作為類型I2之離子。即使在一步驟離子交換製程之情況下，亦可能觀察到兩個IOX區域R1及R2之形成，該等區域具有離子I1及I2之相對濃度的顯著差異。在一實例中，在含有KNO3 及AgNO3 之混合物的浴中使用含Na或含Li玻璃之離子交換，有可能獲得具有Ag+ 及K+ 兩者之高濃度的尖峰區域R1，及亦具有Ag+ 及K+ 之高濃度的深區域R2，但Ag+ 相對於K+ 之相對濃度在尖峰區域R1比在深區域R2中明顯較大。
第2圖係諸如第1C圖中所圖示之實例IOX物件10的實例折射率分佈n(x) 之表示，且與較淺離子交換(離子I1)相關聯且具有至基質21中之深度D1 (或DOLsp )的尖峰區域R1。深區域R2與較深離子交換(離子I2)相關聯且具有限定總層深(DOLT )之深度D2。在一實例中，總DOLT 為至少50μm，且另外在一實例中可高達150μm至200μm。尖峰區域R1與深區域R2之間的過渡限定折射率分佈n(x)中及亦限定對應應力分佈CS(x)中之膝KN，如下文所描述。
深區域R2可在尖峰區域R1之前在實踐中產生。尖峰區域R1直接鄰近基板表面22且相對陡峭且淺(例如，D1可為大約幾微米)，而深區域R2不太陡峭且相對較深地延伸至基板中，直至上述深度D2。在一實例中，尖峰區域R1具有基板表面22處之最大折射率n 0 且陡峭地漸縮至一中間折射率ni (該中間折射率亦可被稱作「膝折射率」)，而深區域R2更逐漸地自該中間折射率漸縮至基板(塊體)折射率ns 。在此強調，其他IOX製程可導致陡峭及淺的近表面折射率變化，且DIOX製程在此以說明方式論述。
根據下文所陳述之易碎性準則，在一些實例中，IOX物件10係易碎的，而在其他實例中，該IOX物件係非易碎的。
稜鏡耦合系統
第3A圖係一實例稜鏡耦合系統28之示意圖，該稜鏡耦合系統可用於實行本文中所揭示之該等方法的態樣。使用稜鏡耦合系統28之稜鏡耦合方法係非破壞性的。此特徵對量測易碎IOX物件以用於研究及開發目的及製造中之品質控制特別有用。
稜鏡耦合系統28包括經組態以可操作地支撐IOX物件10之一支撐台30。稜鏡耦合系統28亦包括一耦合稜鏡40，該耦合稜鏡具有一輸入表面42、一耦合表面44及一輸出表面46。耦合稜鏡40具有折射率np > n0 。耦合稜鏡40藉由使耦合稜鏡耦合表面44與表面22光學接觸而與所量測之IOX物件10接合，由此限定界面50，在一實例中，該界面可包括具有厚度TH之一分界(或折射率匹配)流體52。在一實例中，稜鏡耦合系統28包括一分界流體供應器53，該分界流體供應器流體地連接至界面50以將分界流體52供應至界面。此組態亦允許部署具有不同折射率之不同分界流體52。因此，在一實例中，分界流體52之折射率可藉由操作分界流體供應器53以添加較高折射率或較低折射率分界流體來改變。在一實例中，分界流體供應器53可操作地連接至控制器150且由該控制器控制。
在一例示性量測中，氣動地連接至界面50之一真空系統56可用於藉由改變界面處之真空量來控制厚度TH。在一實例中，該真空系統可操作地連接至控制器150且由該控制器控制。
稜鏡耦合系統28包括輸入及輸出光軸A1及A2，該等光軸分別穿過耦合稜鏡40之輸入及輸出表面42及46，以在考慮稜鏡/空氣界面處之折射之後在界面50處大體上會聚。稜鏡耦合系統28沿著輸入光軸A1依序包括：一光源60，該光源發射波長λ之量測光62；一可選光學濾光片66，該可選光學濾光片可替代地包括在軸線A2上之偵測器路徑中；一可選光散射元件70，該可選光散射元件形成散射光62S；及一可選聚焦光學系統80，該可選聚焦光學系統形成聚焦(量測)光62F，如下文所解釋。因此，在稜鏡耦合系統28之一實例中，光源60與稜鏡輸入表面42之間不存在光學元件。自光源60至聚焦光學系統80之組件構成照明系統82。
沿著輸出光軸A2自耦合稜鏡40起，稜鏡耦合系統28亦依序包括：一收集光學系統90，該收集光學系統具有焦平面92及焦距f，且如下文所解釋地接收反射光62R；一TM/TE偏光器100；及一光偵測器系統130。
輸入光軸A1限定光源60與耦合表面44之間的輸入光徑OP1之中心。輸入光軸A1亦限定相對於所量測之IOX物件10之表面12的耦合角θ。
輸出光軸A2限定耦合表面44與光偵測器系統130之間的輸出光徑OP2之中心。請注意，輸入及輸出光軸A1及A2可由於折射而分別在輸入及輸出表面42及46處彎曲。該等光軸亦可藉由將鏡(未示出)插入至輸入及輸出光徑OP1及/或OP2中而分裂成子路徑。
在一實例中，光偵測器系統130包括一偵測器(攝影機) 110及一框接收器120。在下文所論述之其他實施例中，光偵測器系統130包括CMOS或CCD攝影機。第3B圖係光偵測器系統130之TM/TE偏光器100及偵測器110之近視立視圖。在一實例中，該TM/TE偏光器包括一TM區段100TM及一TE區段100TE。光偵測器系統130包括一光敏表面112。
光敏表面112以光敏表面大體上垂直於輸出光軸A2之方式駐留在收集光學系統90之焦平面92中。此用以將退出耦合稜鏡輸出表面46之反射光62R的角分佈轉換成光在攝影機110之感測器平面處的橫向空間分佈。在一例示性實施例中，光敏表面112包含像素，即，偵測器110係一數位偵測器，例如，一數位攝影機。
將光敏表面112分成如第3B圖所示之TE及TM區段112TE及112TM允許同時記錄角反射光譜(模式光譜) 113之數位影像，該角反射光譜(模式光譜)包括反射光62R之TE及TM偏光的個別TE及TM模式光譜113TE及113TM。此同時偵測消除可由在不同時間進行TE及TM量測引起之量測噪音的來源，假定系統參數可隨時間漂移。第3C圖係藉由光偵測器系統130捕獲之模式光譜113之示意性表示。模式光譜113具有與導引模式相關聯之全內反射(TIR)區段115，及與輻射模式及洩漏模式相關聯之非TIR區段117。TIR區段115與非TIR區段117之間的過渡116限定一臨界角且被稱為臨界角過渡116。
TM模式光譜113TM包括模式線或條紋115TM，而TE模式光譜113TE包括模式線或條紋115TE。模式線或條紋115TM及115TE可視稜鏡耦合系統28之組態而為明線或暗線。在第3C圖中，為了易於圖示，模式線或條紋115TM及115TE展示為暗線。在下文之論述中，術語「條紋」係用作更正式之術語「模式線」之簡寫。
應力特性係基於模式光譜113中之TM及TE條紋115TM及115TE的位置差來計算。計算表面應力CS需要TM模式光譜113TM之至少兩個條紋115TM及TE模式光譜113TE之至少兩個條紋115TE。計算應力分佈CS(x)需要額外條紋。
再參看第3A圖，稜鏡耦合系統28包括一控制器150，該控制器經組態以控制稜鏡耦合系統之操作。控制器150亦經組態以接收及處理來自光偵測器系統130之影像信號SI，該等影像信號表示所捕獲(所偵測)之TE及TM模式光譜影像。控制器150包括一處理器152及一記憶體單元(「記憶體」) 154。控制器150可經由一光源控制信號SL來控制光源60之啟動及操作，且接收及處理來自光偵測器系統130 (例如，來自框接收器120，如所示)之影像信號。控制器150可程式化以執行本文中所描述之功能，包括稜鏡耦合系統28之操作及影像信號SI的上述信號處理，以達到對IOX物件10的上述應力特性中之一或多個的量測。
對IOX物件10之應力特性之恰當量測習知地需要稜鏡耦合系統28將聚焦光62F耦合至由IOX波導26支援的足夠數目個導引模式中，使得尖峰區域Rl以及深區域R2中之折射率分佈的大部分(若非全部)得到取樣，使得量測之模式光譜113完整且準確，即，包括關於整個IOX區域24而非僅IOX區域之一個部分的資訊。
當與尖峰區域R1相關聯之導引或洩漏模式具有接近臨界角之有效折射率時，判定模式光譜113中之臨界角過渡116之精確位置可存在問題。此係因為強度分佈中之最大斜率的一般位置可對應於稍微不同於尖峰深度D1處、即藉由該尖峰區域與深區域R2之間的過渡形成之膝KN處之實際有效折射率的有效折射率(參見第2圖)。如上所述，有效折射率光譜中的藉由附近導引或洩漏模式導致之諧振可導致對應於膝KN處之折射率的有效折射率附近之強度分佈之形狀的顯著變化。如上所述，此可使TE及TM條紋115TE及115TM之分數且因此尖峰深度D1的計算且因此膝應力CSk 的計算實質上失真。此情況對於經受使用Na+及K+離子形成IOX物件10之DIOX製程的Li基玻璃基板20特別真實。
該等上述計算失真在使用稜鏡耦合量測以用於IOX物件10之品質控制時強加嚴格限制，此係因為膝應力CSk 之準確估計僅在一窄條件範圍(即，窄量測製程窗)中有可能，在窄條件範圍中，對於TM及TE偏光兩者，臨界角強度過渡無擾動。
操作稜鏡耦合系統28以提供一相對較大量測製程窗之實例方法要求組態該稜鏡耦合系統以改變來自光源60之光62的量測波長λ。在第3A圖所示之一實例中，光源60可經組態具有各自經組態以發射不同量測波長λ之個別發光元件61。可分別表示為λ1、λ2及λ3之三個實例量測波長λ可包括540 nm、595 nm及650 nm。在一實例中，該等發光元件61包含發光二極體及雷射二極體中之至少一者。在一些實施例中，幾個發光元件61係圍繞一中心位置配置，使得每一發光元件61相對接近一中心位置，該中心位置可位於輸入光軸A1上。在一實例中，該等量測波長λ落在540 nm至650 nm之波長範圍內。
在預先存在之單波長照明系統82中，單一發光元件61可位於輸入光軸A1上之一中心位置中。當在用於量測之波長之間切換時，自此中心位置之顯著移位可存在問題。在一實例中，該等發光元件61可安裝在一可旋轉夾具上，該可旋轉夾具將多個發光元件61中之一者定位至輸入光軸A1上。
若使用機械手段不能使該等發光元件61達到在光軸A1之約2 mm至3 mm內，則可使用光學手段。第3D圖係呈倒鏡形式之實例光學系統200的示意圖。光學系統200包括具焦距fl之一正透鏡210及具焦距f2之一負透鏡220，該等透鏡沿著輸入光軸A1配置。豎直虛線展示焦距fl及焦距f2駐留在該輸入光軸上之一共同點處。
展示了三個離軸發光元件61，該等發光元件發射具有個別波長λ1、λ2及λ3之光62。光學系統200之放大率M係藉由f2/f1給出。在一實例中，f2 = 15 mm且f1 = 75 mm，從而獲得0.2X之放大率。此分數或縮小起作用以使至光源60之距離有效地增加近似5X之因數，使該等發光元件61自耦合稜鏡位置之角度看上去更靠近，從而允許量測波長之每一選擇的近中心照明。此情況藉由退出負透鏡220之三個光射線62與退出該等發光元件61之該三個光射線相比的緊密度展示於第3D圖中。
用於光學系統200之其他組態可用於定義縮小倍率之合適量。在一實例中，光漫射器(例如，具有磨損散射表面之玻璃板)可靠近表示為「f1,f2」之豎直虛線定位，在該虛線處，當三個發光元件61中之任一者時，可形成相對較的明亮光點。
在一相關配置中，在三個波長中之每一者下使用兩個發光元件，且每一對圍繞光軸的光源之中心位置在直徑上定位。此組態允許在捕獲模式光譜113之偵測器(攝影機)110上成像的二維角譜之中部中的更均勻照明。
在一些實施例中，該等發光元件61可沿著單一線安置。舉例而言，該等發光元件61可照明繞射光柵(未示出)，且可在與該繞射光柵相互作用之前及之後利用透鏡來控制光束62，使得大部分之光被收集且發送至耦合稜鏡40。該繞射光柵用以組合自稍微不同的相鄰位置發出的光束且朝向稜鏡進入小面在單一主方向上發送此等光束以用於穿過該進入小面照明稜鏡樣本界面。在一實例中，該繞射光柵可在反射時使用，且可針對用於量測之波長的範圍之平均波長實質上傾斜，使得極高百分比的由該繞射光柵光譜選擇之光在量測稜鏡之方向上繞射。
在一些實施例中，該等發光元件61可沿著單一線安置，且自最小波長至最大波長依序配置。來自該等發光元件61之光62可穿過一可選透鏡，且接著穿過一高分散稜鏡，該高分散稜鏡組合來自源於稍微不同位置之多個發光元件的光且沿著連接組合分散稜鏡與用於照明界面50之量測耦合稜鏡的實質上同一個光徑發送該光，以用於執行對應力之稜鏡耦合量測。
在一些實施例中，光源60經組態以具有一連續可調諧波長。在一個實例中，光源60包含一寬帶LED及一可調諧濾光片。在另一實例中，光源60包含一可調諧雷射及一光學漫射器以減少雷射斑點。利用可調諧濾光片，可調諧波長，直至在較佳量測窗中發現TM及TE模式光譜113TM及113TE兩者，如下文所描述。甚至在調諧範圍之中心波長之5%的相對小調諧範圍之情況下，可獲得較佳量測窗之顯著增大。在一實例中，較佳調諧範圍係中心量測波長λ之10%。
在一些實施例中，稜鏡耦合系統28可包括耦合至IOX物件之不同區的幾個耦合稜鏡40。每一耦合稜鏡40經組態以用來自光源60之不同量測波長λ照明。同樣地，來自每一耦合稜鏡之反射光62R可由光偵測器系統130或在光敏表面112之一不同部分上或由單獨光偵測器系統偵測到。
因而可使用多個耦合稜鏡40及使用多個量測波長λ來執行量測，直至在該等波長中之一者下，較佳量測窗中之量測的要求針對TM及TE偏光狀態兩者得到滿足。在一類似實施例中，單一的寬耦合稜鏡40可接觸至IOX物件10之大區域。界面50之不同位置可同時地或順序地以不同量測波長λ來照明，從而使用單獨光偵測器系統130或在光敏表面112之不同部分上收集到對應模式光譜113，使該光敏表面足夠大以允許個別量測。
使用稜鏡耦合系統之量測方法
所揭示之該等方法包括識別TM或TE模式光譜113TM或113TE是否在用於對所量測的IOX物件10之至少一個應力相關性質作出準確量測的較佳(即，足夠大之)量測窗內的不同方式。若TM或TE模式光譜113TM或113TE中之任一者不在較佳量測窗內，則該等方法包括將稜鏡耦合系統28設定至一不同量測組態，該不同量測組態允許TM及TE模式光譜113TM及113TE兩者在較佳量測窗內，以獲得IOX物件10之至少一個應力參數之更準確量測。換言之，方法係關於最佳化用於量測具有尖峰區域R1之IOX物件的稜鏡耦合系統之量測組態。
用於將稜鏡耦合系統28設定至一不同量測組態之第一方法包括使量測波長λ改變一選擇量。第二方法包括改變界面50處的分界流體52之厚度TH及折射率nf 中之至少一者。第三方法組合第一方法與第二方法。
實例方法
在方法之第一步驟中，將IOX物件10裝載至稜鏡耦合系統28中，且如上所述地收集第一模式光譜113。
在方法之第二步驟中，處理第一TM及TE光譜113TM及113TE以獲得由光偵測器系統130之光敏表面112捕獲的各別條紋115TM及115TE之強度對位置的TM及TE信號。此信號等效於強度對耦合角θ，該信號亦等效於強度對有效折射率neff，此係因為光敏表面112上之位置、耦合角θ及在由IOX物件10中之IOX區域24限定的波導26中傳播之導引光學模式之有效折射率neff之間存在一對一關係。
在第三步驟中，將來自第二步驟之強度對位置資料用於確定第一TM及TE模式光譜113TM及113TE是否獲得稜鏡耦合系統28之較佳量測窗(或駐留該較佳量測窗中)。在一個實例中，此包括判定TM模式光譜113TM及TE模式光譜113TE之全(實數)模式計數或條紋計數之分數部分。全模式計數包括等於特定偏光(TM或TE)之導引模式之數目的整數部分，該數目與在量測波長下出現在各別模式光譜113TM或113TE之TIR區段115中的條紋115TM或115TE之數目相同。TM條紋115TM之數目係NTM，而TE條紋115TE之數目係NTE。
本文中所揭示之該等方法之一態樣涉及判定TE模式光譜113TE及TM模式光譜113TM兩者之模式的數目(模式數目)之分數部分FP。第3E圖係實例模式光譜113之一部分的示意圖，該示意圖類似於第3C圖且圖示可如何判定TE模式光譜113TE及TM模式光譜113TM之模式數目之分數部分FP。
在一實例中，藉由比較具有最低有效折射率neff之最後一個導引模式與對應於臨界角過渡116的有效折射率neff之間的距離來判定模式數目之分數部分FP。對於超出臨界角之耦合角θ，僅部分的入射光62F經反射以形成反射光62R，且由於洩漏模式或輻射模式，穿過IOX物件10的入射光之未反射部分實質上比尖峰深度D1深。
對應於臨界角之有效折射率neff 被稱為「臨界折射率」且表示為ncrit 。在一些情況下，臨界折射率ncrit 可等於基板折射率ns 。舉例而言，此情形可在IOX物件10係由含Li玻璃基板20形成時出現，該含Li玻璃基板在含Na+ (例如，NaNO3 )之浴中經化學強化。
最後一個導引模式與臨界角ncrit 之間的距離對應於最後一個導引模式之折射率與臨界折射率之間的有效折射率差Δnf ，該差藉由下式給出： 其中min(neff )係針對特定偏光(TM或TE)之所有導引模式之有效折射率中的最小者，且ncrit 係同一偏光之臨界折射率。
藉由檢查最後一個導引模式115TE或115TM與臨界折射率ncrit 之間的空間來得到模式計數(即，條紋之數目) NTM 或NTE 之分數部分FP。在一些實施例中，藉由將Δnf 與至下一個模式之預期間隔進行比較來判定TM或TE模式計數之分數部分，該比較藉由外插有效折射率對模式計數之依賴性來進行。在一些實施例中，可自整數編號導引模式獲得有效折射率neff 對模式計數之依賴性的擬合。接著外插該擬合，且將模式數目指派給根據模式計數NTM 或NTE 之值的臨界角ncrit ，在臨界角處，外插之函數等於量測之ncrit 。此相同程序可使用給定模式光譜113TM或113TE中之條紋115TM或115TE之位置對比條紋數目或角譜中的角對比條紋數目直接執行。
判定條紋計數之分數部分FP之一種方法係考慮虛擬條紋118，虛擬條紋可為給定模式光譜中的下一個條紋，但針對臨界角過渡116截斷虛擬條紋之事實。此方法可藉由外插法基於現有條紋間隔來實現。自最後一個條紋115TE或115TM至對應虛擬條紋118之距離係DVF，使得模式(條紋)計數之分數部分FP係FP = Δnf /DVF，請注意，Δnf 及DVF對於TM模式光譜113TM及TE模式光譜113TE可不同。
判定條紋計數之分數部分FP之另一方法係當僅存在兩個或三個模式時。在此情況下，吾人可藉由最接近TIR至PIR過渡之兩個模式之間的間隔MS來近似距離DVF，如第3E圖中亦展示。
在一個實例中，為了處於較佳量測窗內，條紋計數NTM 或NTE 之分數部分FP在一選擇範圍內。在一個實例中，關於條紋計數之分數部分FP的範圍係0.1至0.85。在另一實例中，條紋計數之分數部分FP可大於0.15。在另一實例中，條紋計數之分數部分FP可低於0.8，例如，小於0.75或小於0.70。因此，關於FP之實例範圍包括0.15及0.75或0.15及0.70。若TM模式光譜113M及TE模式光譜113TE中之至少一者的分數部分FP在該選擇範圍外，則將稜鏡耦合系統28設定至一不同量測條件，該不同量測條件使條紋計數之分數部分FP在該選擇範圍內，此又允許以較好準確度判定IOX物件10之至少一個應力參數。
在另一實例中，為了處於較佳量測窗內，足夠接近臨界折射率ncrit 以實質上更改臨界角過渡116之形狀(強度分佈)之導引或洩漏模式可不存在。此係因為使用臨界角過渡116之最大強度斜率之位置來判定IOX物件10之應力相關參數。不利地影響所捕獲之稜鏡耦合光譜中之臨界角強度過渡的導引或洩漏模式諧振在本文中被稱為違規諧振或違規模式。
如本文中所用，若光學傳播模式之有效折射率高於臨界折射率，則該光學傳播模式被稱為「導引」或「邊界」。如本文中所用，若光學傳播模式之有效折射率低於臨界折射率，則該光學傳播模式被稱為「洩漏」。當洩漏模式之有效折射率相對接近臨界折射率時，特別在該有效折射率實質上更接近最後兩個導引模式(即，對於特定偏光具有最低有效折射率之兩個導引模式)之模式間隔的情況下，洩漏模式產生透射諧振。
如本文中所用，「透射諧振」係指給定模式光譜113TM或113TE中之強度中的凹陷，其中對於，強度通常可隨有效折射率減小而單調地減小。當模式光譜中之凹陷變得極接近臨界角過渡116時，最大斜率的位置朝向對應於靠近尖峰區域R1之底部之最低材料折射率的稍微較大有效折射率移位。
以類似方式，具有僅稍微高於臨界折射率之有效折射率的導引模式可導致臨界角過渡116附近之強度改變，此歸因於模式之耦合諧振的非零廣度。非零廣度可為幾個因素之結果，該等因素包括耦合強度、稜鏡耦合系統28中之光學系統的解析度及量測區中的藉由IOX物件10之翹曲導致之像差。
在以上情況中之每一者中，當對應諧振(邊界模式或洩漏模式諧振)之位置在與臨界角之距離(該距離與根據有效折射率的諧振之廣度大致相同，或更小)內時，量測之模式光譜113TM或113TE中之臨界角的視位置明顯移位。
因此，當導引模式在0.5 FWHM內、諸如在導引模式諧振之廣度的0.6 FWHM或0.7 FWHM內時，可認為量測之模式光譜113TM或113TE在較佳量測窗外。類似地，當洩漏模式之最低強度點在0.5 FWHM內、諸如在洩漏模式諧振之0.6 FWHM或0.7 FWHM廣度內時，認為量測之模式光譜113TM或113TE在較佳量測窗外。
當洩漏模式諧振與臨界折射率ncrit 相距稍微更遠時，該諧振寬且不對稱，且該諧振之FWHM可具量測挑戰性且在工業量測條件中定義。因此，在一些實施例中，不同準則可用於識別給定洩漏模式是否不利地影響臨界角過渡116。在一個此方法中，考慮洩漏模式之最低強度點(凹陷位置)與臨界角過渡116之視位置之間的距離。
當洩漏模式凹陷位置與過渡之視位置之間的距離小於0.2倍的自視臨界角過渡至最近導引模式位置之距離，或小於0.3、0.4或0.5倍的自視臨界角過渡至最近導引模式位置之距離時，可認為量測之模式光譜113TM或113TE在較佳量測窗內。此距離之選擇至少部分地取決於尖峰區域R1之形狀，且可基於來自在多個IOX物件10上收集到之資料的實驗證據來選擇。
在另一實例中，TM及TE模式光譜113TM及113TE兩者是否在較佳量測窗內之判定係基於最近模式(條紋)之強度分佈之二階導數與臨界折射率之間的關係，及此最近模式與臨界角過渡116之視位置之間的距離。定性地，應用相同方法來針對邊界模式及針對洩漏模式分析此關係，惟以下除外：邊界模式之決策臨限值不必與洩漏模式之決策臨限值相同。
在一些實施例中，將違規模式與明顯臨界角過渡116之間的距離與除以模式位置處之光學強度之二階導數的平方根的數字因數進行比較。此係基於單位峰值之諧振峰的許多鐘形強度分佈之半高寬(full width at half-maximum；FWHM)與諧振之位置處(強度凹陷之最小值處或強度峰之最大值處)的強度之二階導數之平方根的倒數成比例之觀察。
舉例而言，對於單位峰值之勞倫茲，FWHM為約，對於單位峰值之高斯，FWHM為約，且對於雙曲正割，FWHM為約，其中I” 表示強度相對於光譜之水平變數(例如，位置、角度、有效折射率或點數)的二階導數。在許多情況下，若過渡與鄰近模式之間的距離大於約1.8倍的該鄰近模式之諧振之FWHM廣度，則臨界角過渡116之視位置實質上不受鄰近(最近)模式影響。
在一些實施例中，當鄰近模式之位置與同一偏光狀態的(明顯)臨界角過渡116之間的距離小於1.8倍的該鄰近模式之耦合諧振之FWHM廣度時，認為量測之模式光譜113TM或113TE在較佳量測窗外。
在一些實施例中，若量測之模式光譜113TM或113TE在小於1.5倍的該鄰近模式之耦合諧振之FWHM廣度內，諸如小於1.2、小於1、小於0.8、小於0.6或小於0.5倍的該鄰近模式之耦合諧振之FWHM廣度，則認為量測之模式光譜113TM或113TE在較佳量測窗外。
用於判定量測之模式光譜113TM或113TE在較佳量測窗內或外之較佳臨限值比可基於給定應力參數(例如，膝應力CSk )之量測的重要性與具有寬量測窗之重要性之間的折中。量測準確性之較高重要性偏好最小可接受間隔與FWHM之較大比，反之亦然。
另外，在對應於給定模式之強度分佈之形狀係由勞倫茲分佈很好地描述之情況下，比之較佳臨限值可較高，諸如在0.8至1.8之範圍內。在給定模式係由高斯分佈很好地描述之情況下，比之較佳臨限值可較低，諸如在0.5至1.2之範圍中。
基於以上考量，當臨界角過渡116之視位置與鄰近違規模式之間的距離小於或等於約時，認為量測之模式光譜133TM或113TE在較佳量測窗內。此係用於最多確保臨界角過渡116之視位置中的微小移位之相對嚴格準則。在不同線形狀及所討論之應力參數(例如，膝應力CSk )之目標準確性與較佳量測窗的廣度之間的較佳折中之各種情況下，可選擇間隔之不太嚴格臨限值。舉例而言，間隔可小於或等於8.5之因數，諸如小於或等於6.8、5.7、4.5、3.4或2.8倍之的因數。
此外，在鄰近模式諧振之形狀遠離勞倫茲且更接近高斯，且量測窗之最大廣度係較高優先權之一些情況下，模式與明顯過渡位置116之間的間隔之較佳臨限值可小於或等於2.4、諸如小於或等於1.9、1.4或1.2倍之。
可藉由以下操作來得到鄰近模式之位置處的二階導數：以低通濾波方式將信號平滑化，以數位方式得到一階導數且以低通濾波方式將一階導數平滑化，接著以數位方式得到二階導數、將二階導數平滑化，以及取得模式諧振之位置處的值。在一些實施例中，可藉由以下操作來得到二階導數：使抛物線(二階多項式)擬合最接近模式位置之信號，及取得擬合抛物線之二階導數以充當表示模式之耦合諧振的二階導數。用於得出二階導數之此等方法係此項技術中已知的。
此外，在一些實施例中，模式諧振(導引或洩漏模式)附近之強度分佈經正規化，使得最小強度對應於0且最大強度對應於1，或相反。在與導引或洩漏模式之諧振的最大耦合對應於反射強度中之局部最小值的反射模式光譜之一個實例中，可自整個強度分佈減去反射強度凹陷之底部處的最小強度，使得第二強度分佈在0處具有最小值。接著，將第二強度分佈乘以縮放因數，使得局部最小值附近之最大值變得等於1。此提供具有0至1之範圍的經縮放正規化強度分佈。接著可在正規化程序之後計算二階導數。
若發現量測之TM及TE模式光譜113TM及113TE均在較佳量測窗中，則可判定膝應力CSk 及相關參數(例如，尖峰深度D1、層深DOL等)。此外，若發現TM模式光譜113TM在較佳量測窗內，則在決定是否使用同一TM模式光譜及同時量測之相關聯TE光譜113TE來判定膝應力CSk 之前，可選擇該TM模式光譜以僅基於TM條紋計數來計算層深DOL。
若發現量測之TM及TE模式光譜113TM或113TE中之一者駐留在較佳量測窗外，則考慮另一(第二)對TM及TE模式光譜113TM或113TE。可在判定第一TM及TE光譜中之至少一者不在較佳量測窗內之後才收集第二對模式光譜113TM與113TE。替代地，可使用設定至不同於獲得第一對模式光譜時所使用之量測條件的量測條件之稜鏡耦合系統28提前收集第二對模式光譜113TM及113TE。
在一實例中，調整稜鏡耦合系統28之光源60，使得光62具有用於第二量測的不同於第一量測之波長。該第二波長可經選擇以提供較佳量測窗之連續性，使得幾乎不落在針對第一波長之較佳量測窗口外的IOX物件10落在用於具有不同波長之第二光譜的較佳量測窗內。
舉例而言，考慮由含鋰鋁矽酸鹽玻璃基基板20形成且具有使用K+IOX製程形成之尖峰區域R1的IOX物件。量測之模式光譜113TM或113TE具有在590nm之第一量測波長下的約2.1個條紋與約3個條紋之間的全模式計數。計算之表面壓應力係500MPa至900MPa之範圍。
此特定實例IOX物件10可自使用第二波長的對模式光譜113TM及113TE之第二量測獲益，該第二波長比第一波長長約1%與15%之間，以使條紋計數範圍在具有關於全模式計數的2.3至2.7範圍之較佳製程(量測)窗內移位。
類似地，當量測之模式光譜113TM或113TE產生恰低於較佳量測窗的下端之模式計數時，(對於當前情況，當條紋計數落在範圍1.75至2.1個條紋中時)，則視模式條紋計數落在較佳量測窗外有多遠而定，可使第二波長縮短在約1%與25%之間。
可藉由作出較大波長移位、諸如藉由18%、25%或30%來使用較佳量測窗之更明顯移位。量測波長之較大移位可用於藉由組合兩個不同量測波長之量測窗來建立一較大量測窗。
在一實例中，避免尖峰需要介於兩個相鄰量測波長之間的波長落在較佳量測窗內之狀況。在一實例中，對於具有表面折射率增量Δn 高於基本折射率n 之線性形狀之尖峰，條紋計數N、量測波長λ 及尖峰深度D1或DOLsp 之間的關係為：
TM模式光譜113TM與TE模式光譜113TE之間的條紋計數之差取決於兩個模式光譜之間的Δn之差，此係因為判定條紋計數之其他參數對於量測中之兩種偏光狀態係相同的。若表面壓應力標記為CS且膝應力為CSk ，則兩種偏光之間的Δn 之差大致等於(CS- CSk )/SOC，其中SOC係應力光學係數。對於大部分經化學強化之玻璃，SOC通常在之15%內，其中RIU表示折射率單位。
對於藉由IOX製程使用K在Na基或Li基玻璃基板20中產生之尖峰，TM與TE之間的Δn 之差通常為兩個Δn 值之平均值的約1/5.6。若Δn 之應力誘發雙折射率標記為，則兩種偏光之間的條紋計數之差為：
此意味TE偏光狀態之條紋計數通常為TM偏光狀態之條紋計數的約10/11。因此，TE之條紋計數相差：
使模式計數差與TM模式計數相關的因數0.09將在SOC變化之情況下稍微改變，且大致與SOC與之比的平方根成比例。對於在約至約範圍中之SOC，對應因數可自約0.073變至約0.11。
在確定用於每一偏光之較佳量測窗具有在約0.1與0.8之間、諸如約0.15與0.75之間的條紋計數之分數部分FP之情況下，用於每一偏光之較佳量測窗可跨越約0.6個條紋。假設TM條紋計數與TE條紋計數之間存在偏移，用於同時進行TM及TE偏光中之臨界折射率之準確量測的之有效較佳量測窗與單偏光較佳量測窗相比縮小，縮小量為TM與TE之間的模式計數之差。
在具有之典型玻璃之一實例中，對於具有約2.6個TM條紋115TM之TM模式光譜113TM，較佳量測窗僅自TM偏光之約0.6個條紋縮小至0.6-(0.19至0.29)=(0.31至0.41)個條紋。類似地，對於具有3.6個TM條紋115TM之目標TM模式光譜113TM，較佳量測窗自約0.6個條紋縮小至約0.6-(0.26至0.40)=(0.2至0.34)個條紋。在前一種情況下，視SOC之值而定，縮小在約1/3與½之間，而在後一種情況下，縮小為大約單偏光較佳窗之½至約2/3。因此，TM模式光譜113TM與TE模式光譜113TE之間的條紋計數之偏移實質上減小在單一較佳量測窗可獲得之連續製程窗的有效廣度。
在以第一量測波長量測之第一TM或TE光譜113TM或113TE不落在較佳量測窗內的一些實施例中，則使用以一不同(第二)量測波長量測之一模式光譜使TM及TE光譜定位在較佳量測窗內。若具有較大條紋計數之模式光譜(通常為TM光譜113TM)具有約2.75個與3.15個之間的條紋，則可增大量測波長以使TM光譜之條紋計數在較佳範圍2.15至2.75中。
為了使用單一較長波長將整個未覆蓋範圍2.75至3.15條紋移位至較佳量測窗2.15至2.75個條紋，單一較長之第二波長比第一量測波長長至少12%、較佳14%或更多可為較佳的。
另一方面，可能需要確保量測之連續性，使得處於具有較高條紋計數之偏光狀態下的在第一量測波長下具有2.75個與3.15個之間的條紋之IOX物件在第二(較長)波長下亦不落在較佳量測窗外。因此，對於較長第二量測波長，另一偏光狀態下之條紋計數不落在較佳量測窗外可為較佳的。在當前實例中，使用波長之變化將模式計數自範圍2.15至2.75個條紋移位至低於約2.1個條紋。
在一實例中，對於具有約之SOC的典型玻璃，較高條紋計數偏光在第一波長下可具有2.6至2.75個條紋，且較低條紋計數偏光可具有2.35至2.55個條紋。因而，對於具有較低條紋計數2.35之實例，超過12%之波長增加可導致該較低條紋計數降至低於2.1，從而落在較佳量測窗外。
另一方面，對於模式條紋計數2.55，至多19.6%之波長增加可將對應模式光譜保持在2.1至2.8個條紋之延長較佳量測窗內。因此，對於典型玻璃基板，第二波長之波長變化不超過第一波長之20%、諸如不超過第一波長之12%係較佳的。
在一些實施例中，能夠在可於兩個或更多波長中可獲得之較佳量測窗內連續地量測IOX物件10係較佳的，而非藉由經由移位至較長波長而覆蓋2.75至3.15之整個有問題範圍來達成較佳量測窗之最大可能延長。因此，具有超過第一波長之12%或14%之波長增加可合乎需要，但可能並非所需的或強烈較佳的。另一方面，使波長增加對於一些玻璃低於20%或對於大部分玻璃低於12%可為強烈較佳的，以在以具有2.1至2.8個條紋之目標量測光譜為中心的多種IOX物件10中實現較佳量測窗之連續可用性。具有實質上較低、諸如在範圍至中之SOC的普通玻璃較少，對於該範圍，在不落在具有較低條紋計數之偏光的較佳量測窗之情況下，明顯較大之波長增加係可能的。
在以下表1至表4中給出以布魯斯特或B ()量測之應力光學係數之4個不同值的較佳波長變化之實例。此等實例係針對較佳變化係提高波長之情況給出，此係因為兩個條紋計數中之較大者超出量測窗的上端。當較小條紋計數降至較佳量測窗之底部以下時，較佳變化係較短波長，且類似的波長百分比變化可為較佳的，如在表1至表4之實例中。
表1提供具有約1 B之SOC之材料的用於具有不同條紋計數之量測窗之較佳波長變化。表 1
表2提供具有約2 B之SOC之材料的用於具有不同條紋計數之量測窗之較佳波長變化。表 2
表3提供具有約3 B之SOC之材料的用於具有不同條紋計數之量測窗之較佳波長變化。表 3
表4提供具有約4 B之SOC之材料的用於具有不同條紋計數之量測窗之較佳波長變化。表 4
表1至表4中之實例表明，在一些情況下，使波長改變至多第一量測波長之約28%可為有利的。在許多情況下，主要益處可利用例如在8%至24%之範圍內的明顯較小波長變化獲得。每個偏光狀態含有更多條紋之模式光譜需要較小波長位移以達成用於兩個波長的同時較佳窗條件。對於此等情況，可需要幾個離散波長(3個或更多個)以提供具有連續之準確品質控制量測覆蓋範圍的足夠寬製造窗。
實例 IOX 物件
在一個實例中，IOX物件10係由具有如下組成之玻璃基板20形成：63.16 mol% SiO2 、2.37 mol% B2 O3 、15.05 mol% Al2 O3 、9.24 mol% Na2 O、5.88 mol% Li2 O、1.18 mol% ZnO、0.05 mol% SnO2 及2.47 mol% P2 O5 ，以及約3B之SOC。使用用於化學強化之DIOX製程。在第一K+至Li+ IOX步驟(即以K+作為非擴散離子I1)之後，TM及TE模式光譜115TM及115TE在第一量測波長λ = 590 nm下各自在2個條紋與3個條紋之間。在第二IOX步驟之後，TM及TE模式光譜115TM及115TE在590 nm下各自在3個條紋與4個條紋之間。與K+基尖峰區域R1之形成相關聯的表面應力CS通常在範圍500 MPa至640 MPa中。在使用Na+作為非擴散離子I2之第二IOX步驟之後的表面應力CS通常在範圍750 MPa至950 MPa中。
使用本文中所描述之該等方法，當使用分別以545 nm、590 nm及640 nm之量測波長λ為中心的三個量測波長窗時，步驟1及步驟2兩者之量測要求可用一連續有效較佳量測窗完全滿足。此外，在一實例中，在此等量測波長下，量測光62之光譜帶寬分別不超過約8 nm、9 nm及10 nm係較佳的。為了更高的條紋對比度，該等光譜帶寬可分別限於4 nm、5 nm及6 nm。因此，在一個實例中，每一量測波長具有10 nm或更小之光譜帶，或在另一實例中，6 nm或更小之光譜帶。
當條紋計數在步驟2之後接近590 nm量測窗之邊緣時，藉由視量測窗的上端或下端在590 nm下是否接近來增大或減小量測波長而使模式光譜返回至較佳量測窗內。在使用三量測波長實施之另一實例中，最短量測波長為約540 nm，中間量測波長為約595 nm，且最長量測波長為約650 nm。
儘管已經在上文以舉例方式論述了兩個或三個量測波長，但可使用任何合理數目之量測波長。舉例而言，使用兩個量測波長可使量測窗增大至多2倍，且可十分足夠滿足合理製造製程窗之需求。另一方面，在尖峰深度D1相對較大且每個偏光狀態產生幾個(例如，3個、4個或更多個)條紋之一些情況下，或當SOC極高、諸如4 B時，多於三個波長可為較佳的。多個量測波長可比在上文之三波長實例中更緊密地定位，例如，分別以平均波長之7.6%及9.2%隔開，在此等實例中，平均波長係該三個量測波長之中部。
一例示性方法抑制膝應力CSk 之量測中及尖峰深度DOLsp 之量測中的系統誤差。當仔細地選擇多個量測波長為足夠接近以允許不同波長下的較佳量測窗之間的無縫過渡時，對系統誤差之抑制可基本上完成。此意味相鄰波長下的較佳量測窗可至少稍微重疊。
表1至4中所列之實例允許選擇保證此重疊及對於可覆蓋製造條件之連續範圍的樣本範圍實質上無系統誤差之量測的較佳波長移位。另一方面，當該等波長相隔稍微大於保證窗重疊之較佳間隔時，獲得量測能力之最大擴張，但代價為僅部分地抑制系統誤差。仍存在特定IOX物件10可展示與準確量測之偏差的可能性，即使存在此等樣本由於具有多個較佳量測窗之生產範圍之更大增加覆蓋範圍而減少的機率。
在一些實施例中，當TM及TE光譜113TM及113TE中之至少一者不在較佳量測窗中時所採取的校正動作包括改變分界流體52 (例如，指示油)之厚度以幫助使有問題光譜進入較佳量測窗內。此係可能的，因為可將分界流體視為波導26之部分。利用此校正動作解決之主要問題係正確地、即在選擇容限內判定膝應力CSk 。量測波長小的分界流體52之較佳折射率比有問題光譜出現之偏光狀態的臨界折射率高。此外，分界流體52之較佳折射率比臨界折射率高僅0.1，諸如高僅約0.06，或高僅0.04。在一些實施例中，分界流體52可經選擇具有儘可能接近玻璃之表面上的預期折射率(例如，鉀尖峰之表面折射率)的折射率。
詳言之，分界流體折射率nf 可在表面折射率n0 之約0.004或0.003內。表面折射率n0 由於尖峰中之巨大表面應力而對TM及TE偏光通常係不同的，但差別通常小於0.004，且時常小於0.003。如上所述，分界流體52駐留在耦合稜鏡40之稜鏡耦合表面44與IOX物件10的表面12之間，且分界流體之厚度TH可使用真空系統56來控制。最初，真空量可相對較高，從而使分界流體52之厚度TH相對較小，例如，200 nm或更小，或甚至100 nm或更小。由於分界流體52之此厚度TH，可足夠準確地量測表面壓應力CS及尖峰深度D1。尖峰深度D1可高估高達0.1微米或甚至0.2微米，此高估在許多情況下可接受。藉由在分界流體厚度實際上可高達0.1或甚至0.2微米時假設分界流體厚度為0，可稍微低估表面壓應力CS。
在一實例中，調整分界流體52之厚度TH，調整方式為該厚度使洩漏模式之有效折射率增大，以將洩漏模式轉換成波導26之準導引模式，其中準導引模式具有比對應於臨界角過渡之折射率的有效折射率高的有效折射率。
在另一實例中，調整分界流體52之厚度TH，調整方式為該厚度使洩漏模式之有效折射率增大，以將洩漏模式轉換成波導26的準導引模式，使得新模式計數之分數部分FP現在落在較佳(延長)量測窗MWE中，其中分界流體之折射率可高於對應於臨界角之折射率。
在另一實例中，調整分界流體52之厚度TH以使洩漏模式之有效折射率減小，以將洩漏模式轉換成波導26之準導引模式，使得新模式(條紋)計數之分數部分FP現在落在較佳量測窗MWE中。在此情況下，分界流體52之折射率可低於對應於該臨界角之折射率。
另一實例包括改變分界流體52之折射率以改變洩漏模式之有效折射率，從而將洩漏模式轉換成具有高於臨界角有效折射率之有效折射率的準導引模式。實例亦可包括改變條紋計數之分數部分FP，使得分數部分FP落在與較佳量測窗相關聯之分數部分範圍內。在本文中之描述中，改變分界流體52之折射率包括用具有第二折射率之第二分界流體替換具有第一折射率之第一分界流體的至少一部分。此程序可用於基本上限定介於第一折射率與第二折射率之間的任何折射率。
一旦稜鏡耦合系統28處於所要組態下且收集到模式光譜114，接著記錄CS及DOL值。若TM及TE模式光譜113TM及113TE均落在如上所述之較佳量測窗內，則TM及TE臨界折射率n crit 係藉由各別臨界角過渡116之強度分佈中的最高斜率之位置來量測。此提供對雙折射率之量測，該量測用於計算膝應力CSk。
另一方面，若TM或TE模式光譜115TM及115TE中之至少一者不在較佳量測窗中，則有問題TM或TE模式光譜中之洩漏或導引模式可能違規，即具有過於接近臨界折射率之有效折射率，且不利地影響臨界角過渡116之視位置。此時，分界流體52之厚度TH可增大，例如，藉由減少真空(例如，增大壓力)，直至有問題洩漏或導引模式之有效折射率足夠地增大以變為非違規的，即，變得足夠高於臨界折射率，使得臨界角過渡116實質上不受干擾，且可準確地量測給定偏光之臨界角(且因此臨界折射率)。
同時量測TM及TE偏光兩者之臨界角可為較佳的，但不要求此同時量測。若另一偏光狀態的第一量測之模式光譜在採取校正動作之前在較佳量測窗中，則有可能藉由使用另一偏光狀態的量測之臨界角位置使用折射率匹配流體52之原始厚度來量測CSk 。選擇同時進行對TM及TE模式光譜113TM及113TE兩者之量測幫助避免來自稜鏡耦合系統28中的可隨時間出現之微小變化的誤差。
實驗結果
第4圖係IOX物件10之第一IOX製程的尖峰深度D1 (μm)對時間t1 (小時)的曲線圖，實例IOX物件係使用鋰基鋁矽酸鹽玻璃基板20製造。開放正方形係使用具有以595 nm之單一量測波長λ操作之光源60的稜鏡耦合系統28進行之量測。黑色圓圈係利用具有光源60之稜鏡耦合系統28進行之量測，該光源經組態而以540 nm、595 nm及650 nm為中心的三個不同量測波長λ操作。
用長虛線來描繪用於單波長量測方法之初始(「原始」)量測窗MWO，而用短虛線來展示用於如本文中所描述之三波長量測方法及稜鏡耦合系統的延長(較佳)量測窗MWE。與單波長量測窗MWO相比，使用三個量測波長λ之延長量測窗MWE顯著地延長。由於IOX製程時間限定IOX物件10之折射率分佈，因此具有較寬的IOX製程時間範圍的延長量測窗MWE意味可關於諸如膝應力CSk 之至少一個應力特性來特性化具有較大範圍之尖峰基折射率分佈的IOX物件。
第5圖係由含鋰鋁矽酸鹽玻璃基板20形成之實例IOX物件10的膝應力CSk (MPa)對TM模式(條紋)計數NTM 之曲線。單波長量測係在595 nm之量測波長λ進行且由x表示。三波長量測係在540 nm、595 nm及650 nm之量測波長進行且由黑色方塊表示。單波長量測並不遵循CSk 的隨模式計數增大之單調連續減小，而三波長量測在藉由相對較小量測噪音不超過20 MPa限制之精度內遵循此圖案。模式計數之增大係用兩步驟IOX製程獲得，在兩步驟IOX製程中，步驟1對所有樣本係相同的，且在步驟2中，擴散時間在不同樣本之間改變，樣本全部使用相同的步驟2 IOX浴。TM模式(條紋)計數在此資料集中在約3個模式與約4.5個模式之間改變。TE模式計數對於同一資料集比TM模式計數小約9% (0.3至0.4個條紋)，且對於圈起之資料點而言在延長量測窗外。
第6圖繪示在第5圖中量測之同一IOX物件10的兩步驟離子交換(DIOX)之後的量測膝應力CSk 對比第一步驟離子交換時間(「步驟1時間」) t1 (小時)。CSk 之預期趨勢係隨時間t1增加而緩慢地單調減小。單波長(λ = 595 nm)量測用x符號來展示，而三波長(λ = 540 nm、595 nm及650 nm)量測結果展示為黑色方塊。即使三個波長與連續覆蓋之最佳情況相比稍微相隔更遠，但三波長量測之資料點比單波長量測更好地遵守預期單調趨勢(虛線)。因此，具有發射兩個或更多緊密間隔之量測波長(例如，λ = 545 nm、590 nm及640 nm)之光源60之稜鏡耦合系統28顯著減小與預期單調趨勢之偏差，此轉變成對應力相關特性之更準確量測。
第7圖類似於第4圖，且針對使用具有595 nm之單量測波長(開放正方形)的單波長稜鏡耦合系統28及具有540 nm、595 nm及650 nm之三個量測波長(黑色圓圈)的稜鏡耦合系統28進行之量測繪示第6圖之IOX物件10的尖峰深度D1 (微米)對步驟1時間t1 (小時)。單波長量測窗MWO係用長虛線展示，而延長量測窗MWE係用短虛線展示。在較佳量測窗之右上方邊緣上，報告之尖峰深度D1落在準確值以下，此歸因於違規TM洩漏模式接近TM臨界角過渡116。同樣地，在較佳量測窗之左下方邊緣上，違規TE導引模式過於接近臨界角過渡116地出現。即使尖峰深度D1不受影響，膝應力CSk 可被低估，此係因為曲線圖中之尖峰深度D1係僅基於TM模式光譜113 TM來量測。對膝應力之更準確估計可藉由包括來自TE及TM模式光譜113TE及113TM兩者之資料來獲得。
第8A圖及第8B圖係TM及TE模式光譜113TM及113TE之示意圖，該等模式光譜分別包括四個TM及TE模式或條紋115TM及115TE。第8A圖展示單一量測波長之模式光譜113TM及113TE，而第8B圖展示三對模式光譜113TM及113TE，一對模式光譜針對三個量測波長545 nm、590 nm及640 nm中之每一者。第8A圖之單波長系統之有效量測窗MWO具有約0.5個條紋之大小，而所量測的第8B圖之三波長系統之延長量測窗MWE為約0.9個條紋，或為約兩倍的單波長量測窗MWO之大小。
易碎性
易碎行為或「易碎性」係指當玻璃基物件經受衝擊或傷害時的特定斷裂行為。如本文中所用，當玻璃基物件在測試區中展現以下各項中之至少一者作為易碎性測試之結果時，認為玻璃基物件(且詳言之，諸如本文中所考慮之玻璃基IOX物件10)係非易碎的：(1)四塊或更少的最大尺寸為至少1 mm之碎片，及/或(2)分路之數目小於或等於裂紋分支之數目。該等碎片、分路及裂紋分支係基於以撞擊點為中心的任何2吋乘2吋正方形來計數。因此，對於以撞擊點為中心的任何2吋乘2吋正方形，其中斷裂根據下文所描述之程序形成，若玻璃基物件滿足測試(1)及(2)中之一者或兩者，則認為玻璃基物件係非易碎的。在各種實例中，經化學強化之IOX物件10可為易碎或非易碎的。
在一易碎性測試中，使衝擊探針與玻璃基物件接觸，衝擊探針延伸至玻璃基物件中的深度在連續接觸反覆中增加。衝擊探針之深度的逐步增加允許由衝擊探針產生之裂縫到達張力區域，同時防止會阻止玻璃之易碎行為之準確判定的過度外力之施加。在一個實施例中，衝擊探針在玻璃中之深度在每次反覆中增加約5μm，且在每次反覆之間不使衝擊探針與玻璃接觸。測試區係以撞擊點為中心的任何2吋乘2吋正方形。
第9A圖描繪關於呈實例IOX物件10之形式的測試玻璃基物件之非易碎測試結果。如第9A圖所示，測試區係以撞擊點230為中心之正方形，其中正方形之側壁的長度a 為2吋。第9A圖中所示之非易碎樣本包括三塊碎片242，及兩條裂紋分支240及單一分路250。因此，第9A圖中所示之非易碎IOX物件10含有小於4塊的最大尺寸為至少1 mm之碎片，且分路之數目小於或等於裂紋分支之數目。如本文中所用，裂紋分支起源於撞擊點，且若碎片之任何部分延伸至測試區中，則認為碎片在測試區內。
儘管塗層、黏接層及類似物可結合本文中所描述之經加強玻璃物件使用，但在判定玻璃基物件之易碎性或易碎行為時不使用此等外部約束。在一些實施例中，不影響玻璃基物件之易碎行為的薄膜可在易碎性測試之前施加至玻璃基物件，以防止碎片自玻璃物件彈出，從而提高執行測試之人員的安全性。
第9B圖描繪關於呈實例IOX物件10之形式的測試玻璃物件之易碎測試結果。易碎IOX物件10包括5塊最大尺寸為至少1 mm之碎片242。第9B圖中所描繪之IOX物件10包括2條裂紋分支240及3條分路250，從而產生比裂紋分支多的分路。因此，第9B圖中所描繪之樣本未展現四塊或更少碎片或小於或等於裂紋分支之數目的分路數目。
在本文中所描述之易碎性測試中，衝擊以僅足以釋放存在於經強化玻璃基物件內的內部儲存之能量之力傳遞至玻璃基物件之表面。即，點衝擊力足以在經強化玻璃基物件之表面處產生至少一條新裂紋且使該裂紋穿過壓縮應力CS區域(即，層深)延伸至承受中心張力CT之區域中。
熟習此項技術者將瞭解，在不背離如隨附申請專利範圍中所界定之本發明之精神或範疇的情況下，可對如本文中所描述的本發明之較佳實施例作出各種修改。因此，本發明涵蓋修改及變化，限制條件係該等修改及變化在隨附申請專利範圍及其等效物之範疇內。
10‧‧‧實例IOX物件 20‧‧‧玻璃基基板 21‧‧‧基質 22‧‧‧表面 24‧‧‧IOX區域 26‧‧‧光學波導/IOX波導 28‧‧‧實例稜鏡耦合系統 30‧‧‧支撐台 40‧‧‧耦合稜鏡 42‧‧‧輸入表面 44‧‧‧耦合表面 46‧‧‧輸出表面 50‧‧‧界面 52‧‧‧分界流體 53‧‧‧分界流體供應器 56‧‧‧真空系統 60‧‧‧光源 61‧‧‧發光元件 62‧‧‧量測光 62F‧‧‧入射光/聚焦光 62R‧‧‧反射光 62S‧‧‧散射光 66‧‧‧可選光學濾光片 70‧‧‧可選光散射元件 80‧‧‧聚焦光學系統 82‧‧‧照明系統 90‧‧‧收集光學系統 92‧‧‧焦平面 100‧‧‧TM/TE偏光器 100TE‧‧‧TE區段 100TM‧‧‧TM區段 110‧‧‧偵測器(攝影機) 112‧‧‧光敏表面 112TE‧‧‧TE區段 112TM‧‧‧TM區段 113‧‧‧第一模式光譜/角反射光譜(模式光譜) 113TE‧‧‧TE模式光譜 113TM‧‧‧TM模式光譜 115‧‧‧全內反射(TIR)區段 115TM‧‧‧模式線或條紋 115TE‧‧‧模式線或條紋 116‧‧‧過渡/臨界角過渡 117‧‧‧非TIR區段 118‧‧‧虛擬條紋 120‧‧‧框接收器 130‧‧‧光偵測器系統 150‧‧‧控制器 152‧‧‧處理器 154‧‧‧記憶體單元 200‧‧‧實例光學系統 210‧‧‧正透鏡 220‧‧‧負透鏡 230‧‧‧撞擊點 240‧‧‧裂紋分支 242‧‧‧碎片 250‧‧‧分路 A1‧‧‧輸入光軸 A2‧‧‧輸出光軸 CS‧‧‧表面壓應力 CSk‧‧‧膝應力 CT‧‧‧中心張力 D1‧‧‧尖峰深度 D2‧‧‧深度 DVF‧‧‧距離 f、f1、f2‧‧‧焦距 I1‧‧‧第一離子 I2‧‧‧第二離子 IS‧‧‧基板離子 KN‧‧‧膝 M‧‧‧放大率 MS‧‧‧間隔 MWO‧‧‧單波長量測窗/初始(「原始」)量測窗 MWE‧‧‧延長量測窗 n0‧‧‧最大折射率/表面折射率 ni‧‧‧中間折射率 ns‧‧‧基板(塊體)折射率 ncrit‧‧‧臨界折射率 neff‧‧‧有效折射率 OP1‧‧‧輸入光徑 OP2‧‧‧輸出光徑 R1‧‧‧近表面尖峰區域 R2‧‧‧深區域 SI‧‧‧影像信號 SL‧‧‧光源控制信號 TH‧‧‧厚度 λ、λ1、λ2、λ3‧‧‧波長 θ‧‧‧耦合角
包括附圖以提供進一步理解，且該等附圖併入於本說明書中且構成本說明書之部分。該等圖圖示一或多個實施例，且與實施方式一起解釋各種實施例之原理及操作。因而，將結合附圖自以下實施方式更全面地理解本發明，在附圖中：
第1A圖係呈平坦基板形式之實例DIOX玻璃基板的立視圖。
第1B圖係如在x-y平面中截取的第1A圖之DIOX基板之近視橫截面圖，且該圖圖示在基板表面上發生且進入基板之主體中的實例DIOX製程。
第1C圖示意性地圖示形成DIOX基板之DIOX製程的結果。
第2圖係第1C圖中所圖示之DIOX基板之實例折射率分佈n(x) 的表示，該圖展示尖峰區域、深區域及該兩個區域之間的過渡處之膝。
第3A圖係根據本發明之實例稜鏡耦合系統之示意圖，且該實例稜鏡耦合系統用於使用本文中所揭示之方法來量測IOX物件。
第3B圖係第3A圖之稜鏡耦合系統之光偵測器系統的近視視圖。
第3C圖係模式光譜之示意性表示，該模式光譜包括藉由第3B圖之光偵測器系統捕獲的TM及TE模式光譜。
第3D圖係實例光學系統之示意圖，該實例光學系統用於引導來自實例光源之不同離軸發光元件的光。
第3E圖係類似於第3C圖之模式光譜的實例模式光譜之一部分的示意圖，且該圖圖示根據TE及TM模式光譜的量測之模式光譜來判定分數模式數目之實例方法。
第4圖係實例IOX物件的量測之尖峰深度DOLsp (μm)對「步驟1」擴散時間t1 (小時)的曲線圖，實例IOX物件係使用DIOX製程由含鋰鋁矽酸鹽玻璃基板形成，其中藉由單波長稜鏡耦合系統(開放正方形)及三波長稜鏡耦合系統(黑色圓圈)來執行量測，且其中「步驟1」擴散時間t1係針對兩步驟DIOX製程之第一步驟；
第5圖係基於對實例IOX物件進行之量測的量測之膝應力CSk (MPa)對TM條紋(模式)計數NTM 之曲線圖，實例IOX物件係使用相同DIOX製程由含鋰鋁矽酸鹽玻璃基板形成，在DIOX製程中，對於不同的IOX物件，步驟1擴散時間t1相同，但步驟2擴散時間改變，其中單波長量測由開放正方形展示且三波長量測由黑色圓圈來展示；
第6圖係第4圖中所考慮的同一類型之IOX物件的在兩步驟離子交換(DIOX)之後的量測之膝應力CSk (MPa)對第一步驟離子交換時間(「步驟1時間」) t1 (小時)之曲線圖。
第7圖係額外實例量測的類似於第4圖之曲線圖的曲線圖。
第8A圖係單波長量測之實例TM及TE模式光譜對的示意圖，該等模式光譜分別包括四個TM及TE模式或條紋，且該圖展示0.5個條紋之量測窗大小；
第8B圖類似於第8A圖，惟以下除外：第8B圖展示三個TM及TE模式光譜對，三個量測波長中之每一者有一個TM及TE模式光譜對，且展示約0.9個條紋之較大有效量測窗，此幾乎為第8A圖之單波長情況的兩倍。
第9A圖描繪關於呈實例IOX物件形式之測試玻璃基物件的非易碎測試結果。
第9B圖描繪關於呈實例IOX物件形式之測試玻璃物件的易碎測試結果。
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10‧‧‧實例IOX物件
20‧‧‧玻璃基基板
21‧‧‧基質
22‧‧‧表面
24‧‧‧IOX區域
26‧‧‧光學波導/IOX波導
I1‧‧‧第一離子
I2‧‧‧第二離子
IS‧‧‧基板離子
R1‧‧‧近表面尖峰區域
R2‧‧‧深區域

Claims (17)

  1. 一種估計一經化學強化之物件中之一膝應力的方法，該經化學強化之物件具有具一近表面尖峰區域及一深區域之一折射率分佈，該等區域限定一玻璃基基板中之一光學波導，該膝應力係該近表面尖峰區域與該深區域之間的一膝過渡點處的一壓縮應力之量，該方法包含以下動作：a)使用以一初始量測組態設定之一稜鏡耦合系統，從而收集該經化學強化之物件的TM及TE模式光譜；b)檢查該等TM及TE模式光譜且發現該等模式光譜不落在一較佳量測窗內，該較佳量測窗可在一選擇容限內產生該膝應力之一準確估計值；c)改變該稜鏡耦合系統之該量測組態一或多次，且量測新的TM及TE模式光譜，直至該等新的TM及TE模式光譜落在該較佳量測窗內；及d)使用該等新的TM及TE模式光譜以判定該膝應力。
  2. 如請求項1所述之方法，其中改變該量測組態之動作可包括以下動作：改變以下各項中之至少一者：i)該稜鏡耦合系統之量測光之一波長；ii)用於提供該稜鏡耦合系統之一耦合稜鏡與該光學波導之間的 光學耦合之一分界流體之一厚度；或iii)該分界流體之一折射率。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該稜鏡耦合系統包含一光源，該光源包含分別發射不同量測波長之光的多個發光元件，且其中改變該量測組態之動作包括以下動作：調整該量測波長，該調整包含關閉該等發光元件中之一者及打開該等發光元件中之另一者。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該等TM及TE模式光譜中之每一者具有一條紋計數，該條紋計數具有一整數部分及一分數部分FP，且其中對於該較佳量測窗，該等TM及TE模式光譜中之每一者的該分數部分FP在0.1與0.85之間。
  5. 一種在一經化學強化之離子交換(IOX)物件中量測一膝應力的方法，該IOX物件具有一近表面尖峰區域及一深區域，該等區域限定一玻璃基基板中之一光學波導，該膝應力係該近表面尖峰區域與該深區域之間的一膝過渡點處的一壓縮應力之量，該方法包含以下動作：a)使用一稜鏡耦合系統收集該光學波導的包含一第一橫向磁性(TM)模式光譜及一第一橫向電場(TE)模式光譜之一第一模式光譜，該稜鏡耦合系統具有一耦合稜鏡且處於藉由一第一量測波長及駐留在該耦合稜 鏡與該IOX物件之間的一界面處的一分界流體之一厚度及折射率限定之一第一組態下；b)評估該第一TM模式光譜及該第一TE模式光譜，且發現該第一TM模式光譜或該第一TE模式光譜中之至少一者駐留在一較佳量測窗外，該較佳量測窗允許在一選擇容限內估計該膝應力；c)藉由調整以下各項中至少一者而使該稜鏡耦合系統處於一第二組態下：該第一量測波長、該分界流體之該厚度、或該分界流體之該折射率；d)利用處於該第二組態下之該稜鏡耦合系統來收集該光學波導的包含一第二TM模式光譜及一第二TE模式光譜之一第二模式光譜，其中該第二組態使該第二TM模式光譜及該第二TE模式光譜處於該較佳量測窗內；及e)使用該第二TM模式光譜及該第二TE模式光譜判定該膝應力在該選擇容限內。
  6. 如請求項5所述之方法，其中該動作a)、c)、及d)係在該動作b)之前執行。
  7. 如請求項5所述之方法，其中該動作c)包含以下動作：僅調整該第一量測波長。
  8. 如請求項5所述之方法，其中該稜鏡耦合系統包含一光源，該光源包含分別發射不同量測波長之 光的多個發光元件，且其中該動作c)包括以下動作：調整該量測波長，該調整包含關閉該等發光元件中之一者及打開該等發光元件中之另一者。
  9. 如請求項8所述之方法，其中該等不同量測波長落在540nm至650nm之波長範圍內。
  10. 如請求項5所述之方法，其中該第二TM模式光譜及該第二TE模式光譜各自具有一條紋計數，該條紋計數具有一整數部分及一分數部分FP，且其中對於該較佳量測窗，該第二TM模式光譜及該第二TE模式光譜中之每一者的該分數部分FP在0.1與0.85之間。
  11. 如請求項5所述之方法，其中該動作c)包含以下動作：僅調整該分界流體之該厚度。
  12. 一種用於量測一經化學強化之離子交換(IOX)物件之一應力特性的稜鏡耦合系統，該IOX物件具有一近表面尖峰區域及一深區域，該等區域形成於一玻璃基基板中且限定一光學波導，該稜鏡耦合系統包含：a)一耦合稜鏡，該耦合稜鏡具有一輸入表面、一輸出表面及一耦合表面，其中該耦合表面在該玻璃基基板的一上部表面處與該光學波導分界，由此限定一界面，該界面具有具一折射率及一厚度之一分界流體； b)一真空系統，該真空系統以氣動方式連接至該界面且經組態以改變該界面處之一真空量；c)一分界流體供應器，該分界流體供應器流體地連接至該界面且經組態以將一或多種分界流體供應至該界面；d)一光源系統，該光源系統發射具有可自多個不同量測波長選擇之一量測波長的量測光，其中該量測光穿過該耦合稜鏡之該輸入表面照明該界面，由此形成退出該耦合稜鏡之該輸出表面的反射光，其中該反射光限定一第一橫向磁性(TM)模式光譜及一第一橫向電場(TE)模式光譜；e)一光偵測器系統，該光偵測器系統經配置以接收來自該耦合稜鏡之該反射光及偵測該第一TM模式光譜及該第一TE模式光譜；f)一控制器，該控制器經組態以執行以下動作：a.處理該第一TM模式光譜及該第一TE模式光譜，以發現該第一TM模式光譜或該第一TE模式光譜中之至少一者駐留在一較佳量測窗外，該較佳量測窗允許在一選擇容限內自該第一TM模式光譜及該第一TE模式光譜估計一膝應力，該膝應力係該近表面尖峰區域與該深區域之間的一膝過渡點處的一壓縮應力之量； b.藉由調整以下各項中之至少一者而使該稜鏡耦合系統處於一第二組態下：i)該量測波長、ii)該分界流體之該厚度、或iii)該分界流體之該折射率；c.利用處於該第二組態下之該稜鏡耦合系統來收集一第二TM模式光譜及一第二TE模式光譜，其中該第二組態使該第二TM模式光譜及該第二TE模式光譜處於該較佳量測窗內；及d.使用該第二TM模式光譜及該第二TE模式光譜判定該膝應力在該選擇容限內。
  13. 如請求項12所述之稜鏡耦合系統，其中該光源系統包含：一可調諧雷射，及/或複數個發光元件，該複數個發光元件各自發射該多個不同量測波長中之一者。
  14. 如請求項12所述之稜鏡耦合系統，其中該多個不同量測波長在540nm與650nm之間。
  15. 一種用於量測一經化學強化之離子交換(IOX)物件之一應力特性的稜鏡耦合系統，該IOX物件具有一近表面尖峰區域及一深區域，該等區域形成於一玻璃基基板中且限定一光學波導，該稜鏡耦合系統包含：一耦合稜鏡，該耦合稜鏡具有一輸入表面、一輸出 表面、及一耦合表面，其中該耦合表面在該玻璃基基板的一上部表面處與該光學波導分界，由此限定一界面，該界面具有具一折射率及一厚度之一分界流體；一光源系統，該光源系統經組態以發射具有一可選擇量測波長之量測光，其中該量測光穿過該耦合稜鏡之該輸入表面照明該界面，由此形成退出該耦合稜鏡之該輸出表面的反射光，其中該反射光限定一初始橫向磁性(TM)模式光譜及一初始橫向電場(TE)模式光譜；一光偵測器系統，該光偵測器系統經配置以接收來自該耦合稜鏡之該反射光及偵測在一初始量測波長下之該初始TM模式光譜及該初始TE模式光譜；一控制器，該控制器經組態以執行以下動作：i)處理該初始TM模式光譜及該初始TE模式光譜，且發現該初始TM模式光譜或該初始TE模式光譜中之至少一者駐留在一較佳量測窗外，該較佳量測窗允許在一選擇容限內自該初始TM模式光譜及該初始TE模式光譜來估計一膝應力，該膝應力係該近表面尖峰區域與該深區域之間的一膝過渡點處的一壓縮應力之量；ii)將該光源系統之該量測波長一或多次地改變至該等可選擇量測波長且收集各別一或多個新的TM 模式光譜及一或多個新的TE模式光譜，直至該新的TM模式光譜及該新的TE模式光譜駐留在該較佳量測窗內；及iii)使用駐留在該較佳量測窗內之該新的TM模式光譜及該新的TE模式光譜來判定該膝應力在該選擇容限內。
  16. 如請求項15所述之稜鏡耦合系統，其中該光源系統包含：一可調諧雷射，及/或複數個發光元件，該複數個發光元件各自發射該等可選擇量測波長中之一者。
  17. 如請求項15所述之稜鏡耦合系統，其中該等可選擇量測波長在540nm與650nm之間。
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