KR20200138342A - 넓은 계량 프로세스 창을 갖는 프리즘-결합 응력 계량기 - Google Patents
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Abstract
프리즘-결합 시스템 및 방법은 표면 근처 스파이크 영역 및 깊은 영역을 갖는, 굴절률 프로파일을 가진 화학적으로 강화된 물품의 초기 TM 및 TE 모드 스펙트럼을 수집하기 위해 프리즘-결합 시스템을 사용하는 것을 포함한다. 초기 TM 및 TE 모드 스펙트럼은 선택 허용 오차 내에 무릎 응력의 정확한 추정을 생성할 수 있는 선호 측정 창 내에 속하는지를 확인하기 위해 검사를 받는다. 그러하지 않다면, 프리즘-결합 시스템의 측정 구성은 변화되고 새로운 TM 및 TE 모드 스펙트럼은 수집된다. 이러한 프로세스는 선호 측정 창 내에 새로운 TM 및 TE 모드 스펙트럼이 속할 때까지 반복된다. 새로운 TM 및 TE 모드 스펙트럼은 그 후에 무릎 응력을 결정하는데 사용된다. 측정 구성의 변화는 측정 파장, 인터페이싱 유체 두께 및 인터페이싱 유체 굴절률 중 적어도 하나의 변화를 포함할 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2018년 6월 29일 자로 출원된 미국 가출원 제62/692,233호, 및 2018년 4월 2일 자로 출원된 미국 가출원 제62/651,442호의 우선권 주장 출원이고, 상기 가출원 각각은 전체적으로 참조로 여기에 병합된다.
본 개시는 유리-기반 이온 교환(IOX) 물품, 특히 확장된(즉, 비교적 큰) 측정 프로세스 창을 갖는 유리-기반 화학적으로 강화된 물품에서 응력을 특성화하는 프리즘-결합 시스템 및 방법에 관한 것으로, 여기서 화학적으로 강화된 물품은 표면 근처 스파이크 영역(near-surface spike region)을 포함하는 굴절률 프로파일을 가진다.
화학적으로 강화된 유리 기반 물품은 경도, 내 파괴성 등과 같은 적어도 하나의 강도 관련 특성을 개선하기 위해 유리-기반 기판에 화학적 변형을 가함으로써 형성된다. 화학적으로 강화된 유리 기반 물품은 특히 디스플레이-기반 전자 디바이스, 특히 스마트 폰 및 태블릿과 같은 핸드-헬드 다바이스를 위한 커버 유리로서 사용됨을 알 수 있다.
하나의 방법에서, 화학적 강화는 이온-교환(IOX) 프로세스에 의해 달성되며, 이에 의해, 유리-기반 기판의 매트릭스 내의 이온("본래의 이온" 또는 "기판 이온")이, 예를 들어, 용융 욕조로부터 외부에서 도입된(즉, 교체 또는 내부 확산된) 이온으로 대체된다. 강화는 일반적으로 대체 이온이 본래의 이온(예를 들어, K+ 이온으로 대체된 Na+ 또는 Li+ 이온)보다 클 때 발생한다. IOX 프로세스는 물품 표면으로부터 매트릭스로 확장되는 유리 내의 IOX 영역을 생기게 한다. IOX 영역은 물품 표면에 대해 측정된 바와 같이 IOX 영역의 크기, 두께 또는 "깊이"를 나타내는 층 깊이(DOL)를 가진 굴절률 프로파일을 매트릭스 내에서 정의한다. 굴절률 프로파일은 또한 응력 프로파일, 표면 응력, 압축 깊이, 중심 장력, 복굴절 등을 포함한 응력-관련 특성을 정의한다. 굴절률 프로파일은, 굴절률 프로파일이 당업계에 공지된 소정의 기준을 충족할 때 주어진 파장의 광에 대한 수 m의 안내 모드를 지원하는 광 도파관을 유리 기반 물품에서 정의할 수도 있다.
굴절률 프로파일 및 상술된 응력-관련 특성과 같은, IOX 영역의 하나 이상의 속성을 특성화하기 위해 유리-기반 IOX 물품에 형성된 평면 광 도파관의 안내 모드의 스펙트럼을 측정하는데 프리즘-결합 시스템 및 방법이 사용될 수 있다. 이 기술은 디스플레이(예를 들어, 스마트 폰)를 위한 화학적으로 강화된 커버와 같은 다양한 응용 분야에 사용되는 유리-기반 IOX 물품의 속성을 측정하는데 사용되었다. 그러한 측정은 IOX 영역이 의도한 특성을 가지고 주어진 적용에 대해 선택된 각 특성에 대한 선택 설계 허용 오차 내에 있는지를 보장하기 위해 품질 제어 목적으로 사용된다.
프리즘-결합 시스템 및 방법이 많은 타입의 기존 유리-기반 IOX 물품에 사용될 수 있지만, 그러한 방법은 수월하게 작동되지 않으며, 때때로 소정의 유리-기반 IOX 물품에 대해 전혀 작동되지도 않는다. 예를 들어, 소정의 타입의 IOX 유리 기반 물품은 2 개 부분의 프로파일을 생기게 하는 제 1 및 제 2 이온 확산에 의해 형상된 실제 이중 IOX(DIOX) 유리 기반 물품이다. 제 1 부분(제 1 영역)은 기판 표면에 바로 인접하고 비교적 가파른 경사를 가지는 반면, 제 2 세그먼트(제 2 영역)은 기판 내로 더 깊에 확장되지만 비교적 얕은 경사를 가진다. 제 1 영역은 스파이크 영역 또는 단지 "스파이크"로 지칭되는 반면, 제 2 영역은 깊은 영역으로 지칭된다. 광 도파관은 스파이크 영역 및 깊은 영역 둘 다에 의해 정의된다.
그러한 2 개-영역 프로파일은, 비교적 높은 유효 굴절률을 가진 저-차 모드들 간의 비교적 큰 간격과, 그리고 임계각에 가까운 비교적 낮은 유효 굴절률을 가진 고-차 모드들 간의 매우 작은 간격을 초래하고, 상기 임계각은 안내 모드에 대한 내부 전반사(TIR)와 소위 누출 모드에 대한 비-TIR 사이의 경계 또는 전환을 정의한다. 모드 스펙트럼에서, 임계각은 편의상 "임계각 전환(critical angle transition)" 이라고도 할 수 있다. 안내 모드는 광 도파관의 스파이크 영역에서만 이동될 수 있다. 스파이크 영역에서만 이동되는 안내 또는 누출 모드는 스파이크 영역에서만 안내되는 광과 깊은 영역에서 안내되는 광 사이를 구별하는 것이 불가능하지는 않더라도 어렵다.
2 영역 프로파일 가진 유리-기반 IOX 물품에 대한 모드 스펙트럼으로부터 임계각의 정확한 위치를 결정함은 임계각에 가깝게 있는 안내 모드가 임계각 전환에서 세기 프로파일을 왜곡하기 때문에 문제가 된다. 이는 결과적으로 모드 프린지(fringe)의 소수(fractional number) 계산을 왜곡하므로, "무릎 응력"으로 지칭되고 CSk로 표시되는 스파이크 영역의 바닥에서의 압출 응력의 계산을 포함하여, 스파이크 영역의 깊이 및 응력-관련 파라미터의 계산을 왜곡한다.
밝혀진 바와 같이, 무릎 응력(CSk)은 유리-기반 IOX 물품의 중요한 속성이며, 그리고 그 측정은 화학적으로 강화된 유리 기반 물품의 대규모 제조에서 품질 제어에 사용될 수 있다. 불행히도, 무릎 응력(CSk)의 정확한 추정이 횡방향 전기(TE) 안내 모드 및 횡방향(TM) 안내 모드 둘 다에 대해 임계각 전환이 정확하게 설정됨을 필요로 하기 때문에, 품질 제어에 대한 IOX 물품을 측정하기 위해 프리즘-결합 시스템을 사용할 때 상기에서 설명된 측정 문제는 심각한 제한을 부과한다.
여기에 기술된 방법은 표면 근처 스파이크 영역을 포함하는 IOX 물품을 측정할 때 프리즘-결합 시스템의 성능을 최적화하는 것에 관한 것이다. 최적화는 측정 창에 대한 것이며, 특히 측정 창을 증가시켜 IOX 물품을 측정할 때 적어도 하나의 응력 파라미터의 정확한 추정이 얻어질 수 있다. 예시의 응력-관련 파라미터는 무릎 응력(CSk) 및 스파이크 깊이(D1), 중심 장력(CT), 장력-변형 에너지(TSE), 및 취약성 추정을 포함하고, 상기 취약성 추정은 중심 장력(CT) 및/또는 장력-변형 에너지(TSE)와 관련된다.
프리즘-결합 시스템 및 방법은 표면 근처 스파이크 영역 및 깊은 영역을 갖는 굴절률 프로파일을 가진 화학적으로 강화된 물품의 초기 TM 및 TE 모드 스펙트럼을 수집하기 위해 프리즘-결합 시스템을 사용하는 것을 포함한다. 초기 TM 및 TE 모드 스펙트럼은 선택 허용 오차 내에서 무릎 응력의 정확한 추정을 생성할 수 있는 선호 측정 창 내에 속하는지를 확인하기 위해 검사된다. 그렇지 않은 경우, 프리즘-결합 시스템의 측정 구성은 변경되고 새로운 TM 및 TE 모드 스펙트럼이 수집된다. 이 프로세스는 새로운 TM 및 TE 모드 스펙트럼이 선호 측정 창 내에 속할 때까지 반복된다. 새로운 TM 및 TE 모드 스펙트럼은 무릎 응력을 결정하는데 사용된다. 측정 구성을 변경함은 측정 파장, 인터페이싱 유체 두께 및 인터페이싱 유체 굴절률 중 적어도 하나를 변경함을 포함할 수 있다.
여기서 개시된 시스템 및 방법은 또한 IOX 물품, 특히 큰 압축 깊이를 가진 Li-기반 기판으로 제조된 물품을 제조하기 위한 더 넓은 제조 창을 가능하게 한다. 많은 경우에, 표면 근처 스파이크 영역 R1이 있는 리튬 함유 알루미노 실리케이트 유리-기반 IOX 물품 생산 시의 제조 창은 제조 조건의 범위 및 선호하는 범위 내에서 우수한 기계적 성능을 허용하는 응력 프로파일 파라미터보다는 오히려 이용 가능한 품질-제어 측정 창의 크기에 의해 제한되었다.
여기에 개시된 시스템 및 방법은 또한 응력-관련 특성의 거짓 양성 측정을 억제한다. 기존의 측정 시스템 및 방법은 측정된 IOX 물품이 선호되는 범위에서 응력 프로파일(특히 CSk)의 특징을 정의하는 값을 가짐 없이 품질 제어를 통과하도록 한다. 이는 스파이크 영역을 가진 IOX 물품을 측정할 때 측정 방법 및 프리즘-결합 시스템 구성에서의 불충분(허점)으로 인해 발생할 수 있다. 이들 허점은 일부 경우에 따라 선호 측정 창에 바로 인접한 모드 스펙트럼에 대해 발생하는 왜곡과 관련이 있는 반면, 일부 간접적인 방법의 경우 이들은 프로세스 타겟을 시프팅하여 프로파일 파라미터의 상이한 조합을 통해, 대부분의 경우 더 작은 CSk를 가지지만 더 높은 포타슘-스파이크 DOL 또는 더 높은 표면 CS를 가진 조합에 의해, 최상위 고차 안내 모드의 유사한 복굴절을 달성하는 것을 포함한다.
여기에 설명된 방법 및 시스템은 왜곡이 최소화된 선호 측정 창에서 측정을 제공하고, 추가로 선호 측정 창에서 측정된 직접 무릎 응력(CSk)은 하이브리드 방법의 간접 구성 요소의 교정이 맞는지를 확인하는데 사용된다.
본 개시의 실시예는 화학적으로 강화된 유리 기반 물품에서 무릎 응력의 측정에서 체계적인 에러를 감소시키는 방법이다. 상기 방법은 다음을 포함한다: 횡 방향 자기(TM) 및 횡 방향 전기(TE) 광 편광 상태 각각에 대한 제 1 각도 결합 스펙트럼을 수집하는 단계; 프리즘 결합에 의해 얻어진 각도 스펙트럼이 선호 측정 창에 있는지 여부를 TM 및 TE 광 편광 각각에 대해 평가하는 단계; TM 및 TE 스펙트럼 중 적어도 하나가 선호 측정 창 외부에 있는 경우 교정 작동을 취하는 단계; 및 TM 및 TE 스펙트럼 둘 다가 그들 각각의 선호 측정 창에 있는 경우 측정을 수락하고 완료하는 단계.
본 개시의 또 다른 실시예는 상술된 방법을 수행하도록 구성된 장치이다. 상기 장치는 순차적으로 또는 동시에 적어도 2 개의 파장을 사용하여 측정을 수행하도록 장착된 프리즘-결합 기반 응력 계량기를 포함한다. 응력 계량기는 다음을 포함한다: 적어도 하나의 광원으로부터의 광을 샘플에 결합시키는 프리즘; 측정 파장에서 TM 및 TE 프리즘 결합 스펙트럼을 선택하는 편광 디바이스; 및 TM 및 TE 스펙트럼을 캡처하는 센서 디바이스.
본 개시의 또 다른 실시예는 유리-기반 기판에서 광 도파관을 정의하는 표면 근처 스파이크 영역 및 깊은 영역을 갖는, 굴절률 프로파일을 가진 화학적으로 강화된 물품에서 무릎 응력을 추정하는 방법이고, 상기 방법은 다음을 포함한다: a) 초기 측정 구성에서 설정된 프리즘-결합 시스템을 사용하여 화학적으로 강화된 물품에 대한 TM 및 TE 모드 스펙트럼을 수집하는 단계; b) TM 및 TE 모드 스펙트럼을 검사하고 이들이 선호 측정 창 내에 속하지 않음을 발견하는 단계, 여기서 선호 측정 창은 선택 허용 오차 내에서 무릎 응력의 정확한 추정을 생성할 수 있음; c) 프리즘-결합 시스템의 측정 구성을 한번 이상 변화시키는 단계, 및 새로운 TM 및 TE 모드 스펙트럼을 측정하되, 새로운 TM 및 TE 모드 스펙트럼이 선호 측정 창 내에 속할 때까지 측정하는 단계; 및 d) 무릎 응력을 결정하기 위해 새로운 TM 및 TE 모드 스펙트럼을 사용하는 단계.
본 개시의 또 다른 실시예는 유리-기반 기판에서 광 도파관을 정의하는 표면 근처 스파이크 영역 및 깊은 영역을 가진 화학적으로 강화된 이온-교환(IOX) 물품에서 측정 무릎 응력을 수행하는 방법이고 상기 방법은 다음을 포함한다: a) 결합 프리즘을 가지고 제 1 구성으로 위치된 프리즘-결합 시스템을 사용하여 광 도파관의 제 1 횡방향 자기(TM) 모드 스펙트럼 및 제 1 횡방향 전기(TE) 모드 스펙트럼을 포함한 제 1 모드 스펙트럼을 수집하는 단계, 여기서 제 1 구성은 제 1 측정 파장에 의해, 그리고 결합 프리즘과 IOX 물품 사이의 인터페이스에 위치되는 인터페이싱 유체의 두께 및 굴절률에 의해 정의됨; b) 제 1 TM 모드 스펙트럼 및 제 1 TE 모드 스펙트럼을 평가하는 단계 및 TM 모드 스펙트럼 및 TE 모드 스펙트럼 중 적어도 하나가 선택 허용 오차 내에 무릎 응력을 추정하는 것을 허용하는 선호 측정 창 외부에 위치되는 것을 발견하는 단계; c) 측정 파장, 인터페이싱 유체의 두께 및 인터페이싱 유체의 굴절률 중 적어도 하나를 조정하여 프리즘-결합 시스템을 제 2 구성으로 위치시키는 단계; d) 제 2 구성에서 프리즘-결합 시스템을 사용하여, 광 도파관의 제 2 TM 모드 스펙트럼 및 제 2 TE 모드 스펙트럼을 포함하는 제 2 모드 스펙트럼을 수집하는 단계, 여기서 제 2 구성은 선호 측정 창 내에서 제 2 TM 모드 스펙트럼 및 제 2 TE 모드 스펙트럼을 위치시킴; 및 e) 제 2 TM 모드 스펙트럼 및 제 2 TE 모드 스펙트럼을 사용하여 선택 허용 오차 내에 무릎 응력을 결정하는 단계.
본 발명의 또 다른 실시예는 유리-기반 기판에서 형성되고 광 도파관을 정의하는 표면 근처 스파이크 영역 및 깊은 영역을 가진 화학적으로 강화된 이온-교환(IOX) 물품의 응력 특성을 측정하는 프리즘-결합 시스템이고, 상기 시스템은 다음을 포함한다:
a) 입력 표면, 출력 표면 및 결합 표면을 가진 결합 프리즘, 여기서 결합 표면은 기판 상부 표면에서 도파관과 인터페이싱되어, 인터페이싱 유체 굴절률 및 두께를 갖는 인터페이싱 유체를 가진 인터페이스를 정의함;
b) 인터페이스에 공압식으로 연결되고 인터페이스에서 진공의 양을 변화시키도록 구성된 진공 시스템;
c) 인터페이스에 유체적으로 연결되고 하나 이상의 인터페이싱 유체를 인터페이스에 공급하도록 구성된 인터페이싱 유체 공급부;
d) 다수의 상이한 측정 파장으로부터 선택 가능한 측정 파장을 가진 측정 광을 방출하는 광원 시스템, 여기서 측정 광은 프리즘의 입력 표면을 통해 인터페이스를 조명하여, 결합 프리즘의 출력 표면을 빠져나가는 반사 광을 형성하고, 반사 광은 횡방향 자기(TM) 모드 스펙트럼 및 횡방향 전기(TE) 모드 스펙트럼을 정의함;
e) 결합 프리즘으로부터의 반사 광을 수신하고, 제 1 TM 모드 스펙트럼 및 제 1 TE 모드 스펙트럼을 검출하도록 배치된 광 검출기 시스템;
f) 다음 작동을 수행하도록 구성된 제어기:
a. 선택 허용 오차 내에 제 1 TM 모드 스펙트럼 및 제 1 TE 모드 스펙트럼으로부터의 무릎 응력을 추정하는 것을 허용하는 선호 측정 창의 외부에, 제 1 TM 모드 스펙트럼 및 제 1 TE 모드 스펙트럼 중 적어도 하나가 위치되는 것을 발견하기 위해 제 1 TM 모드 스펙트럼 및 제 1 TE 모드 스펙트럼을 프로세싱하는 작동;
b. i) 측정 파장, ii) 인터페이싱 유체의 두께 및 iii) 인터페이싱 유체의 굴절률; 중 적어도 하나를 조정하여 프리즘-결합 시스템을 제 2 구성으로 위치시키는 작동;
c. 제 2 구성에서 프리즘-결합 시스템을 사용하여, 제 2 TM 모드 스펙트럼 및 제 2 TE 모드 스펙트럼을 수집하는 작동, 여기서 제 2 구성은 선호 측정 창 내에서 제 2 TM 모드 스펙트럼 및 제 2 TE 모드 스펙트럼을 위치시킴; 및
d. 제 2 TM 모드 스펙트럼 및 제 2 TE 모드 스펙트럼을 사용하여 선택 허용 오차 내에 무릎 응력을 결정하는 작동.
본 개의 또 다른 실시예는 유리-기반 기판에서 형성되고 광 도파관을 정의하는 표면 근처 스파이크 영역 및 깊은 영역을 가진 화학적으로 강화된 이온-교환(IOX) 물품의 응력 특성을 측정하는 프리즘-결합 시스템이고, 상기 시스템은 다음을 포함한다: 입력 표면, 출력 표면 및 결합 표면을 가진 결합 프리즘, 여기서 결합 표면은 기판 상부 표면에서 도파관과 인터페이싱되어, 인터페이싱 유체 굴절률 및 두께를 갖는 인터페이싱 유체를 가진 인터페이스를 정의함; 선택 가능한 측정 파장을 가진 측정 광을 방출하도록 구성된 광원 시스템, 여기서 측정 광은 프리즘의 입력 표면을 통해 인터페이스를 조명하여, 결합 프리즘의 출력 표면을 빠져나가는 반사 광을 형성하고, 반사 광은 횡방향 자기(TM) 모드 스펙트럼 및 횡방향 전기(TE) 모드 스펙트럼을 정의함; 결합 프리즘으로부터의 반사 광을 수신하고, 초기 TM 모드 스펙트럼 및 초기 TE 모드 스펙트럼을 초기 측정 파장에서 검출하도록 배치된 광 검출기 시스템; 다음 작동을 수행하도록 구성된 제어기:
i) 초기 TM 모드 스펙트럼 및 초기 TE 모드 스펙트럼을 프로세싱하는 작동, 및 선택 허용 오차 내에 제 1 TM 모드 스펙트럼 및 제 1 TE 모드 스펙트럼으로부터의 무릎 응력을 추정하는 것을 허용하는 선호 측정 창의 외부에, 제 1 TM 모드 스펙트럼 및 제 1 TE 모드 스펙트럼 중 적어도 하나가 위치되는 것을 발견하는 작동;
ii) 광원의 측정 파장을 선택 가능한 측정 파장으로 한 번 이상 변화시키는 작동, 및 하나 이상의 새로운 TM 모드 스펙트럼 및 하나 이상의 새로운 TE 모드 스펙트럼 각각을 수집하되, 새로운 TM 모드 스펙트럼 및 새로운 TE 모드 스펙트럼이 선호 측정 창 내에 위치될 때까지 수집하는 작동; 및
iii) 선호 측정 창 내에 위치되는 새로운 TM 모드 스펙트럼 및 TE 모드 스펙트럼을 사용하여 선택 허용 오차 내에서 무릎 응력을 결정하는 작동.
부가적인 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명에 서술되어 있으며, 부분적으로는 그 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 명백하거나, 또는 첨부된 도면뿐만 아니라 그 기재된 설명 및 청구범위에 기술된 바와 같이 실시예를 실시함으로써 인식될 것이다. 상술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 둘 다는 단지 예시적인 것이며, 청구범위의 성질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 기초를 제공하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다.
첨부된 도면은 추가의 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 하나 이상의 실시예를 도시하고, 상세한 설명과 함께 다양한 실시예의 원리 및 동작을 설명한다. 그러한 바와 같이, 본 개시는 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이며, 여기서:
도 1a는 평면 기판의 형태의 예시적인 DIOX 유리 기판의 입면도이다.
도 1b는 x-y 평면에서 취할 시에 도 1a의 DIOX 기판의 확대 단면도이며, 기판 표면을 걸쳐 기판의 몸체로 발생하는 예시적인 DIOX 프로세스를 도시한다.
도 1c는 DIOX 기판을 형성하는 DIOX 프로세스의 결과를 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1c에 도시된 DIOX 기판에 대한 예시적인 굴절률 프로파일 n(x)의 표현으로서, 두 영역들 사이의 전환에서 스파이크 영역, 깊은 영역, 및 무릎을 도시한다.
도 3a는 본 개시에 따른 예시적인 프리즘-결합 시스템의 개략도로서, 여기에 개시된 방법을 사용하여 IOX 물품을 측정하는데 사용된다.
도 3b는 도 3a의 프리즘-결합 시스템의 광 검출기 시스템의 확대도이다.
도 3c는 도 3b의 광 검출기 시스템에 의해 캡처될 시에 TM 및 TE 모드 스펙트럼을 포함하는 모드 스펙트럼의 개략도이다.
도 3d는 예시적인 광원의 상이한 축외(off-axis) 발광 요소로부터 광을 지향시키는데 사용되는 예시적인 광학 시스템의 개략도이다.
도 3e는 도 3c의 것과 유사한 예시적인 모드 스펙트럼의 일부의 개략도이고, TE 및 TM 모드 스펙트럼에 대해 측정된 모드 스펙트럼으로부터 소수 모드(fractional mode number)를 결정하는 예시적인 방법을 도시한다.
도 4는 측정된 스파이크 깊이 DOLsp(㎛) 대 "단계 1" 확산 시간 t1(s), 예를 들어 DIOX 프로세스를 사용하여 리튬-함유 알루미노실리케이트 유리 기판으로부터 형성된 IOX 물품의 플롯이고, 상기 측정은 단일-파장 프리즘-결합 시스템(개방형 사각형) 및 3 파장 프리즘-결합 시스템(흑색 원형)에 의해 수행되며, 여기서 "단계 1" 확산 시간 t1은 2-단계 DIOX 프로세스 중 제 1 단계를 위한 것이다.
도 5는 리튬-함유 알루미노실리케이트 유리 기판으로부터 형성되고 동일한 DIOX 프로세스를 사용하여 형성된 예시적인 IOX 물품에서 이루어진 측정을 기반으로 하여, 측정된 무릎 응력 CSk(MPa) 대 TM 프린지(모드) 카운트 NTM의 플롯이고, 여기서 단계 1 확산 시간 t1은 동일했지만 단계 2 확산 시간은 상이한 IOX 물품에 대해 다양했으며, 단일-파장 측정은 개방형 사각형으로 도시되고 3-파장 측정은 흑색 원형으로 도시되었다.
도 6은, 도 4에서 고려된 바와 같이, 2-단계 이온 교환(DIOX) 후 측정된 무릎 응력 CSk(MPa) 대 동일한 타입의 IOX 물품에 대한 1-단계 이온-교환 시간("단계 1 시간) t1(시간)의 플롯이다.
도 7은 부가적인 예시적인 측정에 대한 도 4의 것과 유사한 플롯이다.
도 8a는 단일-파장 측정을 위한 예시적인 TM 및 TE 모드 스펙트럼 쌍의 개략도로서, 각각 4 개의 TM 및 TE 모드 또는 프린지를 포함하고 0.5 프린지의 측정 창 크기를 도시한다;
도 8b는, 3 개 측정 파장 각각에 대한, 3 개의 TM 및 TE 모드 스펙트럼 쌍을 도시하고, 도 8a의 단일-파장 경우 것과 거의 2배인 약 0.9 프린지의 더 큰 유효 측정 창을 도시한다는 점을 제외하고, 도 8a와 유사하다.
도 9a는 예시적인 IOX 물품의 형태로 테스트 유리 기반 물품에 대한 비-취약성 테스트 결과를 도시한다.
도 9b는 예시적인 IOX 물품의 형태로 테스트 유리 물품에 대한 취약성 테스트 결과를 도시한다.
도 1a는 평면 기판의 형태의 예시적인 DIOX 유리 기판의 입면도이다.
도 1b는 x-y 평면에서 취할 시에 도 1a의 DIOX 기판의 확대 단면도이며, 기판 표면을 걸쳐 기판의 몸체로 발생하는 예시적인 DIOX 프로세스를 도시한다.
도 1c는 DIOX 기판을 형성하는 DIOX 프로세스의 결과를 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1c에 도시된 DIOX 기판에 대한 예시적인 굴절률 프로파일 n(x)의 표현으로서, 두 영역들 사이의 전환에서 스파이크 영역, 깊은 영역, 및 무릎을 도시한다.
도 3a는 본 개시에 따른 예시적인 프리즘-결합 시스템의 개략도로서, 여기에 개시된 방법을 사용하여 IOX 물품을 측정하는데 사용된다.
도 3b는 도 3a의 프리즘-결합 시스템의 광 검출기 시스템의 확대도이다.
도 3c는 도 3b의 광 검출기 시스템에 의해 캡처될 시에 TM 및 TE 모드 스펙트럼을 포함하는 모드 스펙트럼의 개략도이다.
도 3d는 예시적인 광원의 상이한 축외(off-axis) 발광 요소로부터 광을 지향시키는데 사용되는 예시적인 광학 시스템의 개략도이다.
도 3e는 도 3c의 것과 유사한 예시적인 모드 스펙트럼의 일부의 개략도이고, TE 및 TM 모드 스펙트럼에 대해 측정된 모드 스펙트럼으로부터 소수 모드(fractional mode number)를 결정하는 예시적인 방법을 도시한다.
도 4는 측정된 스파이크 깊이 DOLsp(㎛) 대 "단계 1" 확산 시간 t1(s), 예를 들어 DIOX 프로세스를 사용하여 리튬-함유 알루미노실리케이트 유리 기판으로부터 형성된 IOX 물품의 플롯이고, 상기 측정은 단일-파장 프리즘-결합 시스템(개방형 사각형) 및 3 파장 프리즘-결합 시스템(흑색 원형)에 의해 수행되며, 여기서 "단계 1" 확산 시간 t1은 2-단계 DIOX 프로세스 중 제 1 단계를 위한 것이다.
도 5는 리튬-함유 알루미노실리케이트 유리 기판으로부터 형성되고 동일한 DIOX 프로세스를 사용하여 형성된 예시적인 IOX 물품에서 이루어진 측정을 기반으로 하여, 측정된 무릎 응력 CSk(MPa) 대 TM 프린지(모드) 카운트 NTM의 플롯이고, 여기서 단계 1 확산 시간 t1은 동일했지만 단계 2 확산 시간은 상이한 IOX 물품에 대해 다양했으며, 단일-파장 측정은 개방형 사각형으로 도시되고 3-파장 측정은 흑색 원형으로 도시되었다.
도 6은, 도 4에서 고려된 바와 같이, 2-단계 이온 교환(DIOX) 후 측정된 무릎 응력 CSk(MPa) 대 동일한 타입의 IOX 물품에 대한 1-단계 이온-교환 시간("단계 1 시간) t1(시간)의 플롯이다.
도 7은 부가적인 예시적인 측정에 대한 도 4의 것과 유사한 플롯이다.
도 8a는 단일-파장 측정을 위한 예시적인 TM 및 TE 모드 스펙트럼 쌍의 개략도로서, 각각 4 개의 TM 및 TE 모드 또는 프린지를 포함하고 0.5 프린지의 측정 창 크기를 도시한다;
도 8b는, 3 개 측정 파장 각각에 대한, 3 개의 TM 및 TE 모드 스펙트럼 쌍을 도시하고, 도 8a의 단일-파장 경우 것과 거의 2배인 약 0.9 프린지의 더 큰 유효 측정 창을 도시한다는 점을 제외하고, 도 8a와 유사하다.
도 9a는 예시적인 IOX 물품의 형태로 테스트 유리 기반 물품에 대한 비-취약성 테스트 결과를 도시한다.
도 9b는 예시적인 IOX 물품의 형태로 테스트 유리 물품에 대한 취약성 테스트 결과를 도시한다.
이제 본 개시의 다양한 실시예를 참조하며, 그 예시는 첨부된 도면에 도시된다. 가능할 때마다, 동일하거나 유사한 참조 번호 및 기호는 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 사용된다. 도면은 반드시 축척되는 것은 아니며, 통상의 기술자는 도면이 본 개시의 주요 관점을 설명하기 위해 간략화되었다는 것을 인식할 것이다.
약어 IOX는 논의의 맥락에 의존하여, "이온 교환" 또는 "이온 교환식"을 의미할 수 있다. "IOX 물품"은 적어도 하나의 IOX 프로세스를 사용하여 형성된 물품을 의미한다. 이로써, DIOX 프로세스에 의해 형성된 물품은 여기에서 IOX 물품으로 지칭되지만, DIOX 물품으로도 지칭 될 수 있다.
용어 "유리 기반"은 유리 또는 유리 세라믹을 포함하거나 이들로 구성되는 재료, 물품, 매트릭스, 기판 등을 설명하기 위해 여기에서 사용된다.
IOX 물품에 대한 압축 응력 프로파일은 CS(x)로 표시되고 여기서는 단순히 응력 프로파일로도 지칭된다. 응력 프로파일에 대한 표면 압축 응력 또는 단순히 "표면 응력"은 CS로 표시되며 x = 0에 대한 압축 응력 프로파일 CS(x)의 값, 즉, CS = CS(0)이고, 여기서 x = 0은 IOX 물품의 표면에 대응한다.
압축 깊이 DOC는 IOX 물품의 표면으로부터 압축 응력 CS(x) 또는 CS'(x)가 0을 교차하는 곳까지 측정될 시에 IOX 물품으로의 x 거리이다.
무릎 응력은 CSk로 표시되고, 스파이크 영역(R1)과 깊은 영역(R2) 사이의 무릎 전환 지점(깊이 D1)에서 압축 응력의 양, 즉 CS(D1) = CSk이다.
스파이크 영역(R1)은 D1 및 DOLSP 둘 다로 표시되는 기판 표면으로부터 스파이크 깊이를 가지며, 후자는 층의 스파이크 깊이로도 지칭된다. 스파이크 영역은 깊은 영역과의 구분을 명확히하기 위해 "표면 근처 스파이크 영역"으로도 지칭된다.
깊은 영역(R2)은 전체 IOX 영역에 대한 층의 전체 깊이(DOLT)로도 표시되는 깊이(D2)를 가진다.
약어 FWHM는 "전폭 절반 최대(full-width half maximum)"를 의미한다.
용어 "선호 측정 창" 및 "확장 측정 창"은 동의어이다.
아래에 설명된 청구 범위는 이 상세한 설명에 통합되고 그 일부를 구성한다.
예시적인 프리즘-결합 시스템 및 측정 방법은 예를 들어 다음에서 설명된다: 2016년 12월 8일 자로 공개되고 발명 명칭이 "METHODS OF CHARACTERIZING ION-EXCHANGED CHEMICALLY STRENGTHENED GLASSES CONTAINING LITHIUM"인 미국 출원 공개 공보 제2016/0356760호(WO 2016/196748 A1로도 공개됨); 2018년 2월 20일 자로 공고되고 발명 명칭이 "METHODS OF CHARACTERIZING ION-EXCHANGED CHEMICALLY STRENGTHENED GLASSES CONTAINING LITHIUM"인 미국 특허 제9,897,574호; 및 2017년 7월 28일 자로 출원되고 발명 명칭이 "METHODS OF IMPROVING THE MEASUREMENT OF KNEE STRESS IN ION-EXCHANGED CHEMICALLY STRENGTHENED GLASSES CONTAINING LITHIUM"인 미국 출원 제62/538335호, 및 2017년 1월 3일 자로 공고되고 발명 명칭이 "PRISM-COUPLING SYSTEMS AND METHODS FOR CHARACTERIZING ION-EXCHANGE WAVEGUIDES WITH LARGE DEPTH-OF-LAYER"인 미국 특허 제9,534,981호 - 이들 각각은 전체적으로 참조로 여기에 병합된다.
IOX 물품
도 1a는 예시적인 IOX 물품(10)의 입면도이다. IOX 물품(10)은(상부) 표면(22)을 정의한 매트릭스(21)를 가진 유리-기반 기판(20)을 포함하고, 상기 매트릭스는 베이스(벌크) 굴절률(ns) 및 표면 굴절률(n0)을 가진다. 도 1b는 x-y 평면에서 취할 시에 IOX 물품(10)의 확대 단면도이며, 그리고 예시적인 IOX 물품을 형성하기 위해 x-방향으로 표면(22)을 걸쳐 매트릭스(21)로 발생하는 예시적인 DIOX 프로세스를 도시한다.
기판(20)은 매트릭스(21)에, 제 1 이온(I1) 및 제 2 이온(I2)을 교환하는 기판 이온(IS)을 포함한다. 제 1 및 제 2 이온(I1 및 I2)은 공지된 기술을 사용하여 순차적으로 또는 동시에 매트릭스(21)에 도입될 수 있다. 예를 들어, 제 2 이온(I2)는, AgNO3-함유 욕조를 통해 도입된 Ag+ 이온일 수 있는 제 1 이온(I1)을 도입하여 표면(22)에 인접한 항균 속성을 추가하기 앞서, 강화를 위해 KNO3 욕조를 통해 도입된 K+ 이온일 수 있다. 이온(I1 및 I2)를 나타내는 도 1b의 원형은 개략적인 예시만을 위해서 사용되며, 이들의 상대적 크기는 이온 교환에 참여하는 실제 이온의 크기들 간의 임의의 실제 관계를 반드시 나타내는 것은 아니다. 도 1c는 IOX 물품(10)을 형성하는 DIOX 프로세스의 결과를 개략적으로 도시하며, 여기서 기판 이온(IS)는 도시의 편의를 위해 도 1c에서 생략되고, 매트릭스(21)를 구성하는 것으로 이해된다. DIOX 프로세스는 아래에서 설명된 바와 같이, 표면 근처 스파이크 영역(R1) 및 깊은 영역(R2)을 포함하는 IOX 영역(24)을 형성한다. IOX 영역(24)은 광 도파관(26)을 정의한다.
부가적으로, 이온(I1)은 이온 타입 I2일 수 있는 바와 같이 영역 R1 및 R2 둘 다(아래에 도입되고 논의되는 도 2 참조)에 상당한 수로 존재할 수 있다. 한-단계의 이온-교환 프로세스를 통해서도 이온(I1 및 I2)의 상대 농도에는 상당한 차이가 있는 두 개의 IOX 영역(R1 및 R2)의 형성을 관찰할 수 있다. 일 예시에서, KNO3와 AgNO3의 혼합물을 함유하는 욕조에서 Na-함유 또는 Li-함유 유리의 이온 교환을 사용하면, 상당한 농도의 Ag+ 및 K+ 둘 다를 갖는 스파이크 영역(R1), 및 상당한 농도의 Ag+ 및 K+를 갖는 깊은 영역(R2)도 얻을 수 있지만, 그러나 K+에 대한 Ag+의 상대 농도는 깊은 영역(R2)에서 보다 스파이크 영역(R1)에서 상당히 클 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 예시적인 IOX 물품(10)에 대한 예시적인 굴절률 프로파일 n(x)의 표현이고, 더 얕은 이온 교환(이온 I1)과 연관되고 매트릭스(21)로 깊이(D1)(또는 DOLsp)를 가진 스파이크 영역(R1)을 보여준다. 더 깊은 이온-교환(이온 I2)과 연관된 깊은 영역(R2)는 총 층 깊이(DOLT)를 정의하는 깊이(D2)를 가진다. 일 예시에서, 총 DOLT는 적어도 50 ㎛이고 추가 예시에서는 150 ㎛ 또는 200 ㎛만큼 클 수 있다. 스파이크 영역(R1)과 깊은 영역(R2) 사이의 전환은 아래에 설명된 바와 같이 굴절률 프로파일 n(x), 그리고 또한 해당 응력 프로파일 CS(x)에서 무릎(KN)을 정의한다.
깊은 영역(R2)은 실제로 스파이크 영역(R1) 이전에 생성될 수 있다. 스파이크 영역(R1)은 기판 표면(22)에 바로 인접하고 비교적 가파르고 얕은(예를 들어, D1은 미크론 정도일 수 있음) 반면, 깊은 영역(R2)은 덜 가파르고 기판 내로 전술한 깊이(D2)까지 비교적 깊게 확장된다. 일 예시에서, 스파이크 영역(R1)은 기판 표면(22)에서 최대 굴절률 n0을 가지며, 중간 굴절률 ni("무릎 굴절률"라고도 함)까지 가파르게 점점 좁아지는 반면, 깊은 영역 R2는 중간 인덱스로부터 기판(벌크) 굴절률 ns 아래로 점점 더 가늘어진다. 다른 IOX 프로세스가 가파르고 얕은 표면 근처 굴절률 변화를 초래할 수 있으며 DIOX 프로세스가 여기에서 예시를 통해 논의됨을 여기에서 강조된다.
일부 예시에서, IOX 물품(10)은 취약성이 있는 반면, 다른 예시에서는 아래 설명된 취약성 기준에 따라 비-취약성이다.
프리즘-결합 시스템
도 3a는 여기에 개시된 방법의 관점을 수행하는데 사용될 수 있는 예시적인 프리즘-결합 시스템(28)의 개략도이다. 상기 프리즘-결함 시스템(28)을 사용한 프리즘 결합 방법은 비-파괴적이다. 이러한 특징은 연구 및 개발 목적과 제조시 품질 제어를 위해 취약성 IOX 물품을 측정하는데 특히나 유용하다.
프리즘-결합 시스템(28)은 IOX 물품(10)을 동작 가능하게 지지하도록 구성된 지지 스테이지(30)를 포함한다. 상기 프리즘-결합 시스템(28)은 또한 입력 표면(42), 결합 표면(44) 및 출력 표면(46)을 가진 결합 프리즘(40)을 포함한다. 결합 프리즘(40)은 굴절률 np＞n0을 가진다. 상기 결합 프리즘(40)은 결합-프리즘 결합 표면(44)와 표면(22)를 광학적으로 접촉시킴으로써 측정되는 IOX 물품(10)과 인터페이싱되어, 예를 들어 두께(TH)를 가진 인터페이싱(또는 굴절률-매칭) 유체(52)를 포함할 수 있는 인터페이스(50)를 정의한다. 일 예시에서, 프리즘-결합 시스템(28)은 인터페이스(50)에 유체 연결되어 인터페이싱 유체(52)를 그 인터페이스에 공급하는 인터페이싱 유체 공급부(53)를 포함한다. 이러한 구성은 또한 상이한 굴절률을 갖는 상이한 인터페이싱 유체(52)가 배치되도록 한다. 이로써, 일 예시에서, 인터페이싱 유체(52)의 굴절률은 고굴절률 또는 저굴절률 인터페이싱 유체를 추가하기 위해 인터페이싱 유체 공급부(53)의 동작에 의해 변경될 수 있다. 일 예시에서, 인터페이싱 유체 공급부(53)는 제어기(150)에 동작 가능하게 연결 및 제어된다.
예시적인 측정에 있어서, 상기 인터페이스(50)에 공압식으로 연결된 진공 시스템(56)은 그 인터페이스에서의 진공의 양을 변화시킴으로써 두께(TH)를 제어하는데 사용될 수 있다. 일 예시에서, 진공 시스템은 제어기(150)에 동작 가능하게 연결 및 제어된다.
프리즘-결합 시스템(28)은 프리즘/공기 인터페이스에서의 굴절을 고려한 후 인터페이스(50)에서 일반적으로 수렴하도록 결합 프리즘(40)의 입력 및 출력 표면(42 및 46)을 각각 통과하는 입력 및 출력 광축(A1 및 A2)을 포함한다. 프리즘-결합 시스템(28)은, 입력 광축(A1)을 따라 차례로, 파장 λ의 측정 광(62)을 방출하는 광원(60), 광축(A2) 상의 검출기 경로에 대안으로 포함될 수 있는 옵션의 광학 필터(66), 산란된 광(62S)을 형성하는 옵션의 광-산란 요소(70), 및 아래에 설명된 바와 같이 포커싱된(측정) 광(62F)을 형성하는 옵션의 포커싱 광학 시스템(80)을 포함한다. 이로써, 프리즘-결합 시스템(28)의 예시에서, 광원(60)과 프리즘 입력 표면(42) 간의 광학 요소는 없다. 광원(60)부터 포커싱 광학 시스템(80)까지의 구성 요소들은 조명 시스템(82)을 구성한다.
프리즘-결합 시스템(28)은 또한, 결합 프리즘(40)으로부터 출력 광축(A2)을 따라 차례로, 초점 평면(92) 및 초점 거리(f)를 가지고 아래에 설명된 바와 같이 반사된 광(62R)을 수신하는 수집 광학 시스템(90), TM/TE 편광기(100), 및 광 검출기 시스템(130)을 포함한다.
입력 광축(A1)은 광원(60)과 결합 표면(44) 간 입력 광학 경로(OP1)의 중심을 정의한다. 상기 입력 광축(A1)은 또한 측정되는 IOX 물품(10)의 표면(12)에 대한 결합 각도(θ)를 정의한다.
출력 광축(A2)은 결합 표면(44)과 광 검출기 시스템(130) 간 출력 광 경로(OP2)의 중심을 정의한다. 입력 및 출력 광축(A1 및 A2)이 굴절로 인해 입력 및 출력 표면(42 및 46)에서 각각 구부러질 수 있다는 점을 유의한다. 또한 이들은 입력 및 출력 광 경로 OP1 및/또는 OP2에 미러(도시하지 않음)를 삽입함으로써 서브-경로로 분할될 수 있다.
일 예시에서, 광 검출기 시스템(130)은 검출기(카메라, 110) 및 프레임 그래버(frame grabber, 120)를 포함한다. 아래에서 논의된 다른 실시예에서, 광 검출기 시스템(130)은 CMOS 또는 CCD 카메라를 포함한다. 도 3b는 TM/TE 편광기(100) 및 광 검출기 시스템(130)의 검출기(110)의 확대 입면도이다. 일 예시에서, TM/TE 편광기는 TM 섹션(100TM) 및 TE 섹션(100TE)을 포함한다. 광 검출기 시스템(130)은 감광성 표면(112)을 포함한다.
감광성 표면(112)은 수집 광학 시스템(90)의 초점 평면(92)에 존재하며, 상기 감광성 표면은 일반적으로 출력 광축(A2)에 수직이다. 이는 결합 프리즘 출력 표면(46)을 빠져나가는 반사된 광(62R)의 각도 분포를 카메라(110)의 센서 평면에서 광의 횡방향 공간 분포로 변환하는 역할을 한다. 예시적인 실시예에서, 감광성 표면(112)은 픽셀들을 포함하고, 즉 검출기(110)는 디지털 검출기, 예를 들어 디지털 카메라이다.
도 3b에 도시된 바와 같이 감광성 표면(112)을 TE 및 TM 섹션(112TE 및 112TM)으로 분할하는 것은 반사된 광(62R)의 TE 및 TM 편광에 대한 개별 TE 및 TM 모드 스펙트럼(113TE 및 113TM)을 포함하는 각도 반사 스펙트럼(모드 스펙트럼, 113)의 디지털 이미지를 동시에 기록하도록 한다. 이러한 동시 검출은 시스템 파라미터가 시간에 따라 편차가 있을 수 있다는 점을 고려할 시에 TE 및 TM을 서로 다른 시간에서 측정할 때 발생할 수 있는 측정 노이즈의 소스를 제거한다. 도 3c는 광 검출기 시스템(130)에 의해 캡처될 시에 모드 스펙트럼(113)의 개략도이다. 모드 스펙트럼(113)은 안내 모드와 연관된 전체-내부 반사(TIR) 섹션(115) 및 방사 모드 및 누출 모드와 연관된 비-TIR 섹션(117)을 가진다. TIR 섹션(115)과 비-TIR 섹션(117) 간 전환(116)은 임계각을 정의하고, 임계각 전환(116)으로 지칭된다.
TM 모드 스펙트럼(113TM)은 모드 라인 또는 프린지(115TM)를 포함하는 반면, TE 모드 스펙트럼(113TE)은 모드 라인 또는 프린지(115TE)를 포함한다. 모드 라인 또는 프린지(115TM 및 115TE)는 프리즘-결합 시스템(28)의 구성에 따라 밝은 라인 또는 어두운 라인일 수 있다. 도 3c에서, 모드 라인 또는 프린지(115TM 및 115TE)는 설명의 편의를 위해 어두운 라인으로 도시된다. 아래의 논의에서, 용어 "프린지"는 보다 공식적인 용어 "모드 라인"의 약칭으로도 사용된다.
응력 특성은 모드 스펙트럼(113)에서 TM 및 TE 프린지(115TM 및 115TE)의 위치의 차이를 기반으로 하여 계산될 수 있다. 표면 응력(CS)을 계산하기 위해서는 TM 모드 스펙트럼(113TM)에 대한 적어도 2개의 프린지(115TM) 및 TE 모드 스펙트럼(113TE)에 대한 적어도 2개의 프린지(115TE)가 필요하다. 응력 프로파일 CS(x)을 계산하기 위해서는 부가적인 프린지가 필요하다.
다시 도 3a를 참조하면, 프리즘-결합 시스템(28)은 상기 프리즘-결합 시스템의 동작을 제어하도록 구성된 제어기(150)를 포함한다. 제어기(150)는 또한 캡처된(검출된) TE 및 TM 모드 스펙트럼 이미지를 나타내는 이미지 신호(SI)를 광 검출기 시스템(130)으로부터 수신하여 프로세싱하도록 구성된다. 제어기(150)는 프로세서(152) 및 메모리 유닛("메모리", 154)을 포함한다. 제어기(150)는 광원 제어 신호(SL)를 통해 광원(60)의 활성화 및 동작을 제어하고, 광 검출기 시스템(130)으로부터(예를 들어, 도시된 바와 같이 프레임 그래버(120)로부터) 이미지 신호(SI)를 수신 및 프로세싱할 수 있다. 제어기(150)는 IOX 물품(10)의 상술된 응력 특성들 중 하나 이상의 측정을 달성하기 위해 프리즘-결합 시스템(28)의 동작 및 상술된 이미지 신호(SI)의 신호 프로세싱을 포함하여, 여기에 설명된 기능을 수행하도록 프로그래밍될 수 있다.
IOX 물품(10)의 응력 특성의 적당한 측정은 일반적으로, 프리즘 결합 시스템(28)이 포커싱된 광(62F)을 IOX 도파관(26)에 의해 지원되는 충분한 수의 안내 모드로 커플링시키고, 그 결과 스파이크 영역(R1), 이뿐 아니라 깊은 영역(R2)의 굴절률 프로파일 전부는 아니지만 대부분은 측정된 모드 스펙트럼(113)이 완전하고 정확하도록, 즉, 단지 IOX 영역의 한 부분이 아닌 전체 IOX 영역(24)에 대한 정보를 포함하도록 샘플링되는 것을 필요로 한다.
스파이크 영역(R1)과 연관된 안내 또는 누출 모드가 임계각에 가까운 유효 굴절률을 가질 때, 모드 스펙트럼(113)에서 임계각 전환(116)의 정확한 위치를 결정하는 것이 문제가 될 수 있다. 이는, 세기 프로파일에서 최대 기울기의 일반적인 위치가 스파이크 깊이(D1)에서, 즉 스파이크 영역과 깊은 영역(R2) 간의 전환에 의해 형성된 무릎(KN)에서(도 2 참조), 실제 유효 굴절률과는 다소 상이한 유효 굴절률에 대응할 수 있기 때문이다. 상기에서 유의된 바와 같이, 유효-지수 스펙트럼에서 인접 안내 또는 누출 모드로 야기된 공진은 무릎(KN)에서의 지수에 대응하는 유효 굴절률 부근의 세기 분포 형상에 상당한 변화를 일으킬 수 있다. 상기에서 유의된 바와 같이, 이는 TE 및 TM 프린지(115TE 및 115TM)의 소수의 계산, 따라서 스파이크 깊이(D1)의 계산, 이로써 무릎 응력(CSk)의 계산을 실질적으로 왜곡할 수 있다. 이는 IOX 물품(10)을 형성하기 위해 Na+ 및 K+ 이온을 사용하는 DIOX 프로세스를 겪는 Li-기반 유리 기판(20)에 대해 특히나 그러하다.
상술된 계산 왜곡은, 무릎 응력(CSk)의 정확한 추정이 좁은 범위의 조건(즉, 좁은 측정 프로세스 창)에서만 가능하기 때문에 IOX 물품(10)의 품질 제어를 위해 프리즘-결합 측정을 사용할 때 심각한 제한을 부과하고, 이 경우 임계각 세기 전환은 TM 및 TE 편광 둘다에 대해 교란되지 않는다.
비교적 큰 측정 프로세스 창을 제공하기 위해 프리즘-결합 시스템(28)을 동작하는 예시적인 방법은 광원(60)으로부터의 광(62)의 측정 파장(λ)을 변경하도록 프리즘-결합 시스템을 구성하는 것을 요구한다. 도 3a에 도시된 일 예시에서, 광원(60)은 상이한 측정 파장(λ)을 방출하도록 각각 구성된 개별 발광 요소(61)로 구성될 수 있다. 각각 λ1, λ2 및 λ3으로 표시될 수 있는 세 가지 예시적인 측정 파장(λ)은 540 nm, 595 nm 및 650 nm를 포함할 수 있다. 일 예시에서, 발광 요소(61)는 발광 다이오드 및 레이저 다이오드 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시예에서, 여러 발광 요소(61)는 각각의 발광 요소(61)가 입력 광축(A1)에 놓일 수 있는 중앙 위치에 비교적 가깝도록, 중앙 위치 주위에 배치된다. 일 예시에서, 측정 파장(λ)은 540 nm 내지 650 nm의 파장 범위 내에 속한다.
기존의 하나-파장 조명 시스템(82)에서, 단일 발광 요소(61)는 입력 광축(A1) 상의 중앙 위치에 위치될 수 있다. 측정을 위해 파장들 간에서 스위칭될 때 이 중앙 위치에서 크게 시프팅하면 문제가 발생할 수 있다. 일 예시에서, 발광 요소(61)는 다수의 발광 요소(61) 중 하나를 입력 광축(A1) 상에 위치시키는 회전 가능한 고정물 상에 장착될 수 있다.
기계적 수단을 사용하여 발광 요소(61)가 광축(A1)의 약 2 mm 내지 3 mm 내로 가져올 수 없는 경우, 광학 수단이 사용될 수 있다. 도 3d는 역 망원경(reverse telescope) 형태의 예시적인 광학 시스템(200)의 개략도이다. 광학 시스템(200)은 입력 광축(A1)을 따라 배치된 초점 거리(f1)의 포지티브 렌즈(210) 및 초점 거리(f2)의 네거티브 렌즈(220)를 포함한다. 수직 파선은 초점 거리(f1) 및 초점 거리(f2)가 입력 광축 상의 공통 지점에 있는 곳을 나타낸다.
각각의 파장 λ1, λ2 및 λ3을 가진 광(62)을 방출하는 3 개의 축외 발광 요소(61)는 도시된다. 광학 시스템(200)의 배율(M)은 f2/f1으로 주어진다. 일 예시에서, 배율이 0.2X인 경우, f2 = 15 mm이고 f1 = 75 mm이다. 이러한 소수 또는 축소는 광원(60)까지의 거리를 거의 5X 팩터만큼 효과적으로 증가시켜, 발광 요소(61)가 결합 프리즘 위치의 관점에서 서로 더 가깝게 보이게 함으로써 각 측정 파장의 선택에 대해 중앙 근처의 조명을 허용하도록 작동된다. 이는 발광 요소(61)를 빠져나가는 3 개의 광선과 비교할 시에 네거티브 렌즈(220)를 빠져나가는 3 개의 광선(62)의 근접성에 의해 도 3d에 도시된다.
광학 시스템(200)에 대한 다른 구성은 적합한 양의 축소 배율을 정의하는데 사용될 수 있다. 일 예시에서, 광 확산기(예를 들어, 애브레이딩된(abraded) 산란 표면을 갖는 유리 판)는 "f1, f2"로 표시된 수직 파선 근처에 위치될 수 있으며, 이 경우 세 개의 발광 요소(61) 중 어느 하나가 활성화될 때 비교적 작고 밝은 스폿이 형성될 수 있다.
관련 배치에서, 2 개의 발광 요소가 3 개의 파장 각각에서 사용되었으며, 각 쌍은 광축 상의 광원의 중앙 위치 주위에 정반대로 위치되었다. 이러한 구성은 모드 스펙트럼(113)을 캡처하는 검출기(카메라)(110) 상에 이미징된 2 차원 각도 스펙트럼의 중간에서 보다 균일한 조명을 허용한다.
일부 실시예에서, 발광 요소(61)는 단일 라인을 따라 배치될 수 있다. 예를 들어, 발광 요소(61)는 회절 격자(도시되지 않음)를 조명할 수 있고, 광빔(62)은 회절 격자와 상호 작용하기 전과 후에 렌즈로 제어될 수 있고, 그 결과 광의 상당 부분이 수집되고 결합 프리즘(40)에 전송된다. 회절 격자는 다소 상이한 이웃 위치로부터 나오는 빔을 결합하고 이러한 빔을 프리즘 입구면(entrance facet)을 향해 단일 주된 방향으로 전송하여 상기 입구면을 통해 프리즘-샘플 인터페이스를 조명하는 역할을 한다. 일 예시에서, 회절 격자는 반사에 사용될 수 있으며, 그리고 측정에 이용되는 파장 범위의 평균 파장에 대해 실질적으로 블레이징될 수 있고(blazed), 그 결과 회절 격자에 의해 스펙트럼으로 선택되는 광의 매우 높은 비율이 측정 프리즘 방향으로 회절된다.
일부 실시예에서, 발광 요소(61)는 단일 라인을 따라 배치될 수 있으며, 최소 파장으로부터 최대 파장까지 순차적으로 배치될 수 있다. 발광 요소(62)로부터의 광(62)은 옵션 렌즈를 통과하고, 그 후 다소 상이한 위치로부터 나오는 다수의 발광 요소로부터의 광을 결합하는 고-분산(high-dispersion) 프리즘(결합 분산 프리즘을 측정 결합 프리즘과 연결하는 동일한 광 경로를 실질적으로 따른 광을 전송함)을 통과하여, 응력의 프리즘-결합 측정을 수행하기 위해 인터페이스(50)를 조명할 수 있다.
일부 실시예에서, 광원(60)은 연속적으로 튜닝 가능한 파장을 가지도록 구성된다. 일 예시에서, 광원(60)은 광대역 LED 및 튜닝 가능한 필터를 포함한다. 또 다른 예시에서, 광원(60)은 레이저 스펙클(speckle)을 감소시키기 위해 튜닝 가능한 레이저 및 광학 확산기를 포함한다. 튜닝 가능한 필터를 사용하면, 아래에 설명된 바와 같이, TM 및 TE 모드 스펙트럼(113TM 및 113TE) 둘 다가 선호 측정 창에서 발견될 때까지 파장이 튜닝될 수 있다. 튜닝 범위의 중심 파장의 5 %의 비교적 작은 튜닝 범위에서도, 선호 측정 창에서 상당한 증가가 얻어질 수 있다. 일 예시에서, 선호되는 튜닝 범위는 중심 측정 파장(λ)의 10 %이다.
일부 실시예에서, 프리즘-결합 시스템(28)은 IOX 물품의 상이한 영역에 결합된 여러 결합 프리즘(40)을 포함할 수 있다. 각 결합 프리즘(40)은 광원(60)과는 상이한 측정 파장(λ)로 조명되도록 구성된다. 마찬가지로, 각 결합 프리즘으로부터의 반사된 광(62R)은 광 검출기 시스템(130)에 의해 또는 감광 표면(112)의 상이한 부분 상에서 또는 별도의 광 검출기 시스템에 의해 검출될 수 있다.
측정은 그 후 다수의 결합 프리즘(40)을 사용하고 다수의 측정 파장(λ)을 사용하여, 파장 중 하나에서 선호 측정 창의 측정을 위한 요건이 TM 및 TE 편광 상태 둘 다에 대해 만족될 때까지, 수행될 수 있다. 유사한 실시예에서, 단일 와이드 결합 프리즘(40)은 IOX 물품(10)의 넓은 영역에 접촉될 수 있다. 인터페이스(50)의 상이한 위치는 상이한 측정 파장(λ)에서 동시에 또는 순차적으로 조명될 수 있고, 해당 모드 스펙트럼(113)은 별도의 광 검출기 시스템(130)을 사용하거나, 개별 측정을 허용하기에 충분히 크게 만들어진 감광 표면(112)의 상이한 부분 상에서 수집된다.
프리즘-결합 시스템을 사용한 측정 방법
개시된 방법은 TM 또는 TE 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE)이 측정된 IOX 물품(10)의 적어도 하나의 응력-관련 속성의 정확한 측정을 수행하기 위해 선호(즉, 충분히 큰) 측정 창 내에 있는지 여부를 식별하는 다양한 방식을 포함한다. TM 또는 TE 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE)이 선호 측정 창 내에 있지 않은 경우, 방법은 프리즘 결합-시스템(28)을, TM 및 TE 모드 스펙트럼(113TM 및 113TE) 둘 다가 선호 측정 창 내에 있도록 하여 IOX 물품(10)의 적어도 하나의 응력 파라미터의 보다 정확한 측정을 얻는 상이한 측정 구성으로 설정하는 단계를 포함한다. 다시 말해, 상기 방법은 스파이크 영역(R1)을 가진 IOX 물품을 측정하기 위해 프리즘-결합 시스템의 측정 구성을 최적화하는 것에 있다.
프리즘-결합 시스템(28)을 상이한 측정 구성으로 설정하는 제 1 방법은 측정 파장(λ)을 선택량만큼 변경하는 단계를 포함한다. 제 2 방법은 인터페이스(50)에서 인터페이싱 유체(52)의 두께(TH) 및 굴절률(nf) 중 적어도 하나를 변경하는 단계을 포함한다. 제 3 방법은 제 1 및 제 2 방법을 결합한다.
예시 방법
상기 방법의 제 1 단계에서, IOX 물품(10)이 프리즘-결합 시스템(28)에 로딩되고 제 1 모드 스펙트럼(113)이 상술된 바와 같이 수집된다.
상기 방법의 제 2 단계에서, 제 1 TM 및 TE 스펙트럼(113TM 및 113TE)은 광 검출기 시스템(130)의 감광성 표면(112)에 의해 캡처된 각 프린지(115TM 및 115TE)의 위치 대 세기의 TM 및 TE 신호를 얻기 위해 프로세싱된다. 이는 세기 대 결합 각도(θ)와 동등하며, 또한 세기 대 유효 굴절률(neff)과 동등한데, 이는 감광성 표면(112) 상의 위치와, 결합 각도(θ)와, 그리고 IOX 물품(10)에서 IOX 영역(24)에 의해 정의된 도파관(26)에서 전파되는 안내 광학 모드의 유효 굴절률(neff) 간에 일 대 일 관계가 있기 때문이다.
제 3 단계에서, 제 2 단계로부터의 세기 대 위치 데이터는 제 1 TM 및 TE 모드 스펙트럼(113TM 및 113TE)이 프리즘-결합 시스템(28)의 선호 측정 창에서 얻어졌는지(또는 그 안에 존재하는지) 여부를 확립하는데 사용된다. 한 예시에서, 이는 TM 모드 스펙트럼(113TM) 및 TE 모드 스펙트럼(113TE)에 대한 전체(실수) 모드 카운트 또는 프린지 카운트의 소수부(fractional portion)를 결정하는 단계를 포함한다. 전체 모드 카운트는, 측정 파장에서 각 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE)의 TIR 섹션(117)에서 일어나는 프린지(115TM 또는 115TE)의 수와 동일한, 특정 편광(TM 또는 TE)에 대한 안내 모드의 수와 같은 정수부를 포함한다. TM 프린지(115TM)의 수는 NTM인 반면, TE 프린지(115TE)의 수는 NTE이다.
여기에 개시된 방법의 관점은 TE 모드 스펙트럼(113TE) 및 TM 모드 스펙트럼(113TM) 둘 다에 대한 모드의 수(모드 수)의 소수부(FP)를 결정하는 것을 포함한다. 도 3e는 도 3c와 유사한 예시적인 모드 스펙트럼(113)의 일부의 개략도이며, TE 모드 스펙트럼(113TE) 및 TM 모드 스펙트럼(113TM)에 대한 모드 수의 소수부(FP)가 어떻게 결정될 수 있는지를 도시한다.
일 예시에서, 모드 수의 소수부(FP)는 가장 낮은 유효 굴절률(neff)을 가진 마지막 안내 모드와 임계각 전환(116)에 대응하는 유효 굴절률(neff) 사이의 거리를 비교하여 결정된다. 임계각을 넘어서는 결합 각도(θ)의 경우, 입사 광(62F)의 일부만 반사된 광(62R)을 형성하기 위해 반사되고, 입사 광의 비-반사된 부분은 누출 모드 또는 방사 모드로서 스파이크 깊이(D1)보다 실질적으로 깊게 IOX 물품(10)을 관통한다.
임계각에 대응하는 유효 굴절률(neff)은 "임계 굴절률"로 지칭되며, ncrit로 표시된다. 일부 경우에서, 임계 굴절률(ncrit)은 기판 굴절률(ns)와 같을 수 있다. 예를 들어, 이러한 상황은 IOX 물품(10)이 Na+(예를 들어, NaNO3)를 함유하는 욕조에서 화학적으로 강화된 Li-함유 유리 기판(20)으로부터 형성될 때 발생할 수 있다.
마지막 안내 모드와 임계각(ncrit) 사이의 거리는 마지막 안내 모드의 굴절률과 임계 굴절률 사이의 유효 굴절률 차이 Δnf에 대응되며, 다음과 같이 주어진다:
여기서 
는 특정 편광(TM 또는 TE)에 대한 모든 안내 모드의 유효 굴절률 중 가장 작은 것이고, 
는 동일한 편광에 대한 임계 굴절률이다.
모드 카운트(즉, 프린지의 수)(NTM 또는 NTE)의 소수부(FP)는 마지막 안내 모드(115TE 또는 115TM)와 임계 굴절률 
간의 공간을 검사함으로써 발견된다. 일부 실시예에서, TM 또는 TE 모드 카운트의 소수부는 모드 카운트에 대한 유효 굴절률의 의존성을 추론하여 다음 모드에 대한 예상 간격과 
를 비교하여 결정된다. 일부 실시예에서, 모드 카운트에 대한 유효 굴절률 neff의 의존성 맞춤(fit)은 정수 안내 모드로부터 얻어질 수 있다. 상기 맞춤은 그 후에 추론되고, 모드 수는 추론된 함수가 측정된 
과 동일한 모드 카운트(NTM 또는 NTE)의 값으로부터 임계각 
에 할당된다. 이 동일한 절차는 주어진 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE) 대 프린지 수에서 프린지(115TM 또는 115TE)의 위치, 또는 각도 스펙트럼 대 프린지 수에서의 각도를 사용하여 직접 수행될 수 있다.
프린지 카운트의 소수부(FP)를 결정하는 한 방법은 주어진 모드 스펙트럼에서 다음 프린지가 될 가상 프린지(118)를 고려하는 것이지만 임계각 전환(116)이 가상 프린지를 컷 오프한다는 사실을 고려하는 것이다. 이는 기존 프린지 간격을 기반으로 한 추론으로 달성될 수 있다. 마지막 프린지(115TE 또는 115TM)로부터 해당 가상 프린지(118)까지의 거리는 DVF이고, 그 결과 모드(프린지) 카운트의 소수부(FP)는 FP = △nf/DVF이고, 유의해야 할 바와 같이, nf 및 DVF는 TM 모드 스펙트럼(113TM) 및 TE 모드 스펙트럼(113TE)에 대해 상이할 수 있다.
프린지 카운트의 소수부(FP)를 결정하는 또 다른 방법은 2 개 또는 3 개의 모드만이 있을 때이다. 이 경우, 도 3e에서도 도시된 바와 같이 TIR-PIR 전환에 가장 가까운 두 모드 사이의 간격(MS)만큼 거리(DVF)를 근사화할 수 있다.
하나의 예시에서, 선호 측정 창 내에 있도록, 프린지 카운트(NTM 또는 NTE)의 소수부(FP)는 선택 범위 내에 있다. 하나의 예시에서, 프린지 카운트의 소수부(FP)에 대한 범위는 0.1 내지 0.85이다. 또 다른 예시에서, 프린지 카운트의 소수부(FP)는 0.15보다 클 수 있다. 또 다른 예시에서, 프린지 카운트의 소수부(FP)는 0.8 이하, 예를 들어 0.75 미만 또는 0.70 미만일 수 있다. 이로써, FP에 대한 예시적인 범위는 0.15 및 0.75 또는 0.15 및 0.70을 포함한다. TM 모드 스펙트럼(113M) 및 TE 모드 스펙트럼(113TE) 중 적어도 하나의 소수부(FP)가 선택 범위를 벗어나는 경우, 프리즘 결합 시스템(28)은 상이한 측정 조건으로 설정되어 프린지 카운트의 소수부(FP)를 선택 범위 내에 있도록 하고, 이는 결과적으로 IOX 물품(10)의 적어도 하나의 응력 파라미터를 더 나은 정확도로 결정하는 것을 허용한다.
또 다른 예시에서, 선호 측정 창 내에 있도록, 임계각 전환(116)의 형상(세기 프로파일)를 실질적으로 변경하기 위해 임계 굴절률(ncrit)에 충분히 가까운 안내 또는 누출 모드가 없을 수 있다. 이는 임계각 전환(116)의 최대 세기 기울기의 위치가 IOX 물품(10)의 응력-관련 파라미터를 결정하는데 사용되기 때문이다. 캡처된 프리즘-결합 스펙트럼에서 임계각 세기 전환에 악영향을 미치는 안내 또는 누출 모드 공진은 여기에서 위반 공진 또는 위반 모드로 지칭된다.
여기에서 이용되는 바와 같이, 광학 전파 모드는 그의 유효 굴절률이 임계 굴절률보다 경우, "안내" 또는 "바운드(bound)"로 지칭된다. 여기에 이용되는 바와 같이, 광학 전파 모드는 그의 유효 굴절률이 임계 굴절률보다 낮은 경우, "누출"로 지칭된다. 누출 모드는, 그의 유효 굴절률이 임계 굴절률에 비교적 가까울 때, 특히 마지막 두 안내 모드, 즉, 특정 편광에 대해 가장 낮은 유효 굴절률을 갖는 두 안내 모드의 모드 간격에 실질적으로 더 가까운 경우, 전송 공진을 생성한다.
여기에서 이용되는 바와 같이, "전송 공진"은 주어진 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE)에서 세기의 딥(dip)을 지칭하며, 이 경우 상기 세기는 
에 대한 유효 굴절률이 감소함에 따라 일반적으로 단조 감소할 수 있다. 모드 스펙트럼의 딥이 임계각 전환(116)에 매우 가까워질 때, 최대 경사의 위치는 스파이크 영역(R1)의 바닥 근처에서 가장 낮은 재료 굴절률에 대응하는 다소 더 큰 유효 굴절률을 향해 시프팅된다.
유사한 방식으로, 임계 굴절률에 비해 다소 높은 유효 굴절률만을 갖는 안내 모드는 상기 모드에 대한 결합 공진의 폭이 제로가 아니기 때문에 임계각 전환(116) 부근의 세기가 변화되도록 야기할 수 있다. 제로가 아닌 폭은 결합 강도, 프리즘-결합 시스템(28) 내의 광학 시스템의 해상도, 및 측정 영역에서 IOX 물품(10)의 휘어짐으로 야기된 변형을 포함하여, 여러 팩터의 결과일 수 있다.
상기의 각 경우에, 측정된 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE)에서 임계각의 겉보기 위치는, 해당 공진(바운드 모드 또는 누출 모드 공진)의 위치가, 유효 굴절률 측면에서 공진의 폭과 거의 같거나 그 미만인 임계각으로부터의 거리 내에 있을 때, 크게 시프팅된다.
따라서, 측정된 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE)은, 안내 모드가 안내 모드 공진의 폭의 0.6 FWHM 또는 0.7 FWHM 내에와 같이 0.5 FWHM 내에 있을 때 선호 측정 창 외부로 고려될 수 있다. 유사하게, 측정된 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE)은 누출 모드의 최저 세기 지점이 누출 모드 공진의 0.6 FWHM 또는 0.7 FWHM 폭 내에와 같이 0.5 FWHM 내에 있을 때 선호 측정 창 외부로 고려된다.
누출 모드 공진이 임계 굴절률(ncrit)로부터 다소 멀어질 때, 상기 공진은 넓고 비대칭이며, 그리고 그의 FWHM은 산업 측정 조건에서 측정 및 정의하기 어려울 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 주어진 누출 모드가 임계각 전환(116)에 악영향을 미치는 여부를 식별하기 위해 상이한 기준이 사용될 수 있다. 그러한 방법 중 하나에서, 누출 모드의 최저 세기 지점(딥 위치)과 임계각 전환(116)의 명백한 위치 간의 거리가 고려된다.
측정된 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE)은 누출 모드 딥 위치와 전환의 겉보기 위치 간의 거리가 겉보기 임계각 전환으로부터 가장 가까운 안내 모드 위치까지의 거리의 0.2 배보다 작거나, 또는 겉보기 임계각 전환으로부터 가장 가까운 안내 모드 위치까지의 거리의 0.3, 0.4, 또는 0.5 배보다 작을 때 선호 측정 창 내에서 고려될 수 있다. 이 거리의 선택은 스파이크 영역(R1)의 형상에 적어도 부분적으로 의존하며, 그리고 다수의 IOX 물품(10)에서 수집된 데이터로부터의 경험적 증거를 기반으로 하여 선택될 수 있다.
또 다른 예시에서, TM 및 TE 모드 스펙트럼(113TM 및 113TE) 둘 다가 선호 측정 창 내에 있는지 여부의 결정은 임계 굴절률에 대한 가장 가까운 모드(프린지)의 세기 프로파일의 2 차 도함수와, 이러한 가장 가까운 모드와 임계각 전환(116)의 겉보기 위치 사이의 거리 간의 관계를 기반으로 한다. 질적으로, 바운드 모드와 누출 모드에 대해 이 관계를 분석하는데 동일한 방법이 적용되되, 바운드 모드에 대한 결정 임계치가 누출 모드에 대한 것과 동일할 필요가 없다는 점을 제외하고 그러하다.
일부 실시예에서, 위반 모드와 겉보기 임계각 전환(116) 사이의 거리는 모드 위치에서 광학 세기의 2 차 도함수의 제곱근으로 나눈 수치 인자와 비교된다. 이는 단위 피크 값의 공진 피크의 많은 종 형상의 세기 분포에 대한 전폭 절반 최대(FWHM)가 상기 공진의 위치에서(세기 딥에 대한 최소치에서 또는 세기 피크에 대한 최대치에서) 세기의 2 차 도함수 제곱근의 역에 비례한다는 관찰을 기반으로 한다.
예를 들어, 단위 피크 값의 로렌치안(Lorentzian)의 경우 FWHM은 약 
이고, 단위 피크 값의 가우스인 경우, 약 
이며, 그리고 쌍곡선 시컨트(secant)의 경우 약 
이고, 여기서 
은 스펙트럼의 수평 변수(예를 들어, 위치, 각도, 유효 굴절률, 또는 지점 번호)에 대한 세기의 2 차 도함수를 나타낸다. 많은 경우에, 임계각 전환(116)의 겉보기 위치는 상기 전환과 근접 모드 사이의 거리가 근접 모드의 공진의 FWHM 폭의 약 1.8 배보다 큰 경우, 근접(가장 가까운) 모드에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는다.
일부 실시예에서, 측정된 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE)은 동일한 편광 상태에 대한 근접 모드의 위치와(겉보기) 임계각 전환(116) 간의 거리가 근접 모드의 결합 공진의 FWHM 폭의 1.8배 미만일 때 선호 측정 창 외부로 고려된다.
일부 실시예에서, 측정된 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE)은 상기 근접 모드의 결합 공진의 FWHM 폭의 1.5 배 미만, 그 예로 상기 근접 모드의 결합 공진의 FWHM 폭의 1.2 배 미만, 1 배 미만, 0.8 배 미만, 0.6 배 미만 또는 0.5 배 미만 내에 있는 경우 선호 측정 창 외부로 고려된다.
측정된 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE)이 선호 측정 창 내부 또는 외부에 있는지 여부를 결정하기 위한 바람직한 임계 비율은 주어진 응력 파라미터(예를 들어, 무릎 응력 CSk)의 측정을 위한 높은 정확도의 중요성과 넓은 측정 창을 가지는 것의 중요성 사이의 트레이드-오프를 기반으로 할 수 있다. 측정 정확도에 대한 중요성이 클수록 FWHM에 대한 최소 수용 가능한 간격 비율이 더 커지게 되고, 그 반대도 마찬가지로 된다.
부가적으로, 주어진 모드에 대응하는 세기 분포의 형상이 로렌치안 프로파일에 의해 수월하게 기술된 경우, 비율의 바람직한 임계 값은 0.8 내지 1.8 범위에서와 같이, 더 높을 수 있다. 주어진 모드가 가우스 프로파일에 의해 수월하게 기술된 경우, 비율의 바람직한 임계 값은 0.5 내지 1.2 범위와 같이 더 낮을 수 있다.
상기의 고려 사항을 기반으로 하여, 측정된 모드 스펙트럼(133TM 또는 113TE)은 임계각 전환(116)의 겉보기 위치와 근접의 위반 모드 간의 거리가 약 
이하일 때 선호 측정 창 외부로 간주된다. 이는 임계각 전환(116)의 겉보기 위치에서 기껏해야 무시할 정도의 시프팅을 확보하는데 사용되는 비교적 엄격한 기준이다. 문제의(in question) 응력 파라미터의 타겟 정확도((예를 들어, 무릎 응력 CSk)와 선호 측정 창의 폭 간의 상이한 라인 형상 및 바람직한 트레이드 오프의 다양한 경우에, 간격에 대한 덜 엄격한 임계치가 선택될 수 있다. 예를 들어, 간격은 
의 6.8, 5.7, 4.5, 3.4, 또는 2.8 배의 팩터 이하와 같이, 8.5 배의 팩터 이하일 수 있다.
더욱이, 근접 모드 공진의 형상이 로렌치안으로부터 더 멀고 가우스에 더 가깝고 측정 창의 최대 폭이 더 높은 우선 순위인 일부 경우에, 상기 모드와 겉보기 전환 위치(116) 간의 간격의 바람직한 임계 값은 
의 1.9 배, 1.4 배 또는 1.2 배 이하와 같이, 2.4 배 이하일 수 있다.
근접 모드의 위치에서 2 차 도함수는, 저역 통과 필터링에 의해 신호를 평활화하고, 디지털 방식으로 1 차 도함수를 찾고, 저역 통과 필터링에 의해 이를 평활화한 다음, 디지털 방식으로 2 차 도함수를 찾아, 이를 평활화하고, 모드 공진의 위치에서 값을 취함으로써, 찾아질 수 있다. 일부 실시예에서, 2 차 도함수는 모드 위치의 가장 가까운 부근에 있는 신호에 포물선(2 차 다항식)을 맞추고, 모드의 결합 공진을 나타내는 2 차 도함수의 역할을 하기 위해 맞춤 포물선의 2 차 도함수를 취함으로써 찾아질 수 있다. 2 차 도함수를 찾는 그러한 방법은 당업계에 공지되어 있다.
더욱이, 일부 실시예에서, 모드 공진(안내 또는 누출 모드) 부근의 세기 분포는 최소 세기가 0에 대응하고 최대 세기가 1에 대응하거나 그 반대가 되도록 정규화된다. 안내 또는 누출 모드와의 공진에 대한 최대 결합이 반사된 세기의 국부적 최소치에 대응하는 반사 모드 스펙트럼의 한 예시에서, 반사 세기 딥 바닥에서 최소 세기는 전체 세기 분포로부터 감산될 수 있고, 그 결과 제 2 세기 분포는 0에서 최소치를 가진다. 그 후 제 2 세기 분포는 스케일링 팩터를 곱하여 국부적 최소치 부근의 최대 값은 1과 같아질 수 있다. 이는 0 내지 1의 범위를 가진 스케일링된 정규화된 세기 분포를 제공한다. 그 후 2 차 도함수는 정규화 절차 이후에 계산될 수 있다.
측정된 TM 및 TE 모드 스펙트럼(113TM 및 113TE) 둘 다가 선호 측정 창인 것으로 찾아진 경우, 무릎 응력(CSK) 및 관련 파라미터(예를 들어, 스파이크 깊이(D1), 층 깊이(DOL) 등)가 결정될 수 있다. 더욱이, TM 모드 스펙트럼(113TM)이 선호 측정 창 내에 있는 것으로 찾아진 경우, 이는, 동시에 측정되었던 연관 TE 스펙트럼(113TE) 및 동일한 TM 모드 스펙트럼을 사용하여 무릎 응력(CSk)을 결정할지 여부를 결정하기 전에만 TM 프린지 카운트를 기반으로 하여 층 깊이(DOL)를 계산하도록 선택될 수 있다.
측정된 TM 및 TE 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE) 중 하나가 선호 측정 창 외부에 있는 것으로 찾아진 경우, 또 다른(제 2) 쌍의 TM 및 TE 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE)이 고려된다. 제 2 쌍의 모드 스펙트럼(113TM 및 113TE)은 제 1 TM 및 TE 스펙트럼 중 적어도 하나가 선호 측정 창 내부에 있지 않다는 결정이 이루어진 이후에 수집될 수 있다. 대안적으로, 제 2 쌍의 모드 스펙트럼(113TM 및 113TE)은 제 1 쌍의 모드 스펙트럼을 획득하는데 사용되는 것과는 상이한 측정 조건으로 설정된 프리즘-결합 시스템(28)을 사용하여 미리 수집될 수 있다.
일 예시에서, 프리즘-결합 시스템(28)의 광원(60)은 광(62)이 제 1 측정보다는 제 2 측정에 대해 상이한 파장을 가지도록 조정된다. 제 2 파장은, 제 1 파장에 대한 선호 측정 창 외부에 겨우 속하는 IOX 물품(10)이 상이한 파장을 가진 제 2 스펙트럼에 대한 선호 측정 창 내부에 속하도록, 선호 측정 창의 연속성을 제공하도록 선택될 수 있다.
예를 들어, Li-함유 알루미노실리케이트 유리-기반 기판(20)으로부터 형성되고 K+ IOX 프로세스를 사용하여 형성된 스파이크 영역(R1)을 갖는 IOX 제품을 고려한다. 측정된 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE)은 590 nm의 제 1 측정 파장에서 약 2.1 내지 약 3 프린지의 전체 모드 카운트를 가진다. 계산된 표면 압축 응력은 500 내지 900 MPa의 범위에 있다.
이 특정의 예시적인 IOX 물품(10)은 프린지 카운트 범위를 2.3 내지 2.7의 전체 모드 카운트에 대한 범위를 가진 바람직한 프로세스(측정) 창 내부로 시프팅하기 위해, 약 1% 내지 15%만큼 제 1 파장보다 긴 제 2 파장을 사용하여 모드 스펙트럼(113TM 및 113TE)의 제 2 측정으로부터 이익을 얻을 수 있다.
유사하게, 측정된 모드 스펙트럼(113TM 또는 113TE)이 선호 측정 창의 하단 바로 아래에 있는 모드 카운트를 초래할 때(현재의 경우, 프린지 카운트가 1.75-2.1 프린지 범위에 속할 때), 제 2 파장은 모드 프린지 카운트가 선호 측정 창 외부로 얼마나 벗어났는지에 따라 약 1% 내지 25% 까지만큼 더 짧아질 수 있다.
18%, 25% 또는 30%와 같은 더 큰 파장 시프트에 의해 선호 측정 창의 더 중요한 시프트가 사용될 수 있다. 측정 파장에서의 더 큰 시프트는 두 개의 상이한 측정 파장의 측정 창을 결합하여 더 큰 측정 창을 확립하는데 사용할 수 있다.
일 예시에서, 2 개의 이웃하는 측정 파장들 사이에 있는 파장이 선호 측정 창 내부에 속하도록 하는 것을 스파이크가 요구하는 조건은 회피된다. 일 예시에서, 표면 굴절률 증가 
가 기본 굴절률 
보다 높은 선형 형상을 가진 스파이크의 경우, 프린지 카운트(N)와, 측정 파장(λ)과, 그리고 스파이크 깊이(D1 또는 DOLsp) 간의 관계는 다음과 같다:
TM 및 TE 모드 스펙트럼(113TM 및 113TE) 간의 프린지 카운트에서의 차이는 두 모드 스펙트럼 간의 
의 차이에 따라 달라지는데, 이는 프린지 카운트를 결정하는 다른 파라미터가 측정에서 두 개의 편광 상태에 대해 동일하기 때문이다. 표면 압축 응력이 CS라고 표시되고 무릎 응력이 CSk인 경우, 두 편광 간 
의 차이는 대략적으로(CS-CSk)/SOC와 같고, 여기서 SOC는 응력 광학 계수이다. SOC는 통상적으로 대부분의 화학적으로 강화된 유리의 경우 
RIU/MPa의 15 % 내이며, 여기서 RIU는 굴절률 단위를 나타낸다.
Na-기반 또는 Li-기반 유리 기판(20)에서 K를 사용하는 IOX 프로세스에 의해 생성된 스파이크의 경우, TM과 TE 간 
의 차이는 일반적으로 두 
값의 평균의 약 1/5.6이다. 
의 응력-유도 복굴절이 
로 표시된 경우, 두 편광 간의 프린지 카운트의 차이는 다음과 같다:
이는 TE 편광 상태에 대한 프린지 카운트가 통상적으로 TM 편광 상태의 프린지 카운트의 약 10/11임을 의미한다. 그러므로, TE에 대한 프린지 카운트는 다음에 의해 상이하다:
모드 카운트 차이를 TM 모드 카운트와 관련시키는 0.09의 팩터는 SOC의 변화에 따라 다소 변할 것이고, SOC 대 
의 비율의 제곱근에 대략적으로 비례한다. 약 
부터 약 
까지 범위의 SOC의 경우, 해당 팩터는 약 0.073부터 약 0.11까지 달라진다.
각 편광에 대한 선호 측정 창이 약 0.15 내지 0.75와 같이, 약 0.1 내지 0.8의 프린지 카운트의 소수부(FP)를 가지는 것을 확립하면, 각 편광에 대한 선호 측정 창은 약 0.6 프린지에 걸쳐 있을 수 있다. TM과 TE 프린지 카운트 사이에 오프셋이 있다는 점을 고려하면, TM 및 TE 편광의 임계 굴절률을 동시에 정확하게 측정하기 위한 효과적인 선호 측정 창은 TM과 TE 간의 모드 카운트의 차이에 의해 단일-편광 선호 측정 창에 비해 감소된다.
일부 실시예에서, 제 1 측정 파장에서 측정된 제 1 TM 또는 TE 스펙트럼(113TM 또는 113TE)이 선호 측정 창 내부에 속하지 못할 경우, 상이한(제 2) 측정 파장에서 측정된 모드 스펙트럼은 선호 측정 창 내부의 TM 및 TE 스펙트럼을 위치시키는데 사용된다. 더 큰 프린지 카운트(일반적으로 TM 스펙트럼(113TM))를 가진 모드 스펙트럼 이 약 2.75 내지 3.15 프린지를 가지는 경우, 측정 파장은 TM 스펙트럼에 대한 프린지 카운트가 바람직한 범위 2.15-2.75가 되도록 증가될 수 있다.
단일의 더 긴 파장을 사용하여 커버되지 않은 전체 범위 2.75-3.15 프린지를 선호 측정 창 2.15-2.75 프린지로 시프팅시키기 위해, 단일의 더 긴 제 2 파장은 제 1 측정 파장보다 적어도 12 % 더 긴, 바람직하게는 14 % 이상 더 긴 것이 바람직할 수 있다.
다른 한편으로, 제 1 측정 파장에서 더 높은 프린지 카운트를 갖는 편광 상태에서 2.75 내지 3.15 프린지를 가진 IOX 물품 또한 제 2(더 긴) 파장에서 선호 측정 창 외부에 속하지 않도록 측정의 연속성을 보장하는 것이 바람직할 수 있다. 이로써, 더 긴 제 2 측정 파장에 대해, 다른 편광 상태의 프린지 카운트가 선호 측정 창을 벗어나지 않는 것이 바람직할 수 있다. 본 예시에서, 파장의 변화는 모드 카운트를 2.15 - 2.75 프린지 범위로부터 약 2.1 프린지 아래로 시프팅하는데 사용된다.
일 예시에서, 더 높은 프린지 카운트 편광은 제 1 파장에서 2.6-2.75 프린지를 가질 수 있고, 더 낮은 프린지 카운트 편광은 SOC가 약 
인 통상적인 유리에 대해 2.35-2.55 프린지를 가질 수 있다. 그 후, 2.35의 더 낮은 프린지 카운트를 갖는 예시의 경우, 12%를 넘는 파장 증가는 상기 더 낮은 프린지 카운트를 2.1 아래로 떨어뜨려 선호 측정 창을 벗어나게 할 것이다.
다른 한편으로, 2.55의 모드 프린지 카운트에 대해, 최대 19.6%의 파장 증가는 2.1 - 2.8 프린지의 확장된 선호 측정 창 내에서 대응하는 모드 스펙트럼을 유지할 것이다. 이로써, 통상적인 유리 기판의 경우, 제 2 파장에 대한 파장 변화가 제 1 파장의 20%를 초과하지 않는 것, 그 예로 제 1 파장의 12%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
일부 실시예에서, 더 긴 파장으로 스위칭하여, 2.75-3.15 프린지의 전체 문제 범위를 커버함으로써 선호 측정 창의 가능한 최대 확장을 얻는 대신, 2 개 이상의 파장 중에서 이용 가능한 선호 측정 창 내부에서 IOX 물품(10)을 측정하는 연속적인 능력이 바람직하다. 이로써, 제 1 파장의 12% 또는 14%를 초과하는 파장 증가를 가지는 것이 바람직할 수 있지만, 그러나 요구되지 않거나 강력하게 바람직하지 않을 수 있다. 다른 한편으로, 일부 유리의 경우 20 % 이하 또는 대부분의 유리의 경우 12 % 이하의 파장 증가를 가지는 것은 2.1 - 2.8 프린지를 갖는 타겟 측정 스펙트럼 주위로 중심으로 하는 매우 다양한 IOX 물품(10) 중에서 선호 측정 창을 연속적으로 이용할 수 있도록 하기 위해 강력하게 선호될 수 있다. 낮은 프린지 카운트를 가지는 편광에 대해 선호 측정 창을 벗어나지 않고 상당히 더 큰 파장 증가가 가능한 
내지 
범위와 같이 실질적으로 낮은 SOC를 갖는 일반적인 유리가 적게 있다.
부루스터(Brewsters)에서 측정된 응력-광학 계수의 4 가지 상이한 값 또는 B(
)에 대한 바람직한 파장 변화의 예시는 아래 표 1 내지 4에서 주어진다. 이러한 예시는 두 프린지 카운트 중 더 큰 것이 측정 창의 상단을 초과하기 때문에 바람직한 변화가 파장을 증가시키는 경우에 제공된다. 더 작은 프린지 카운트가 선호 측정 창의 바닥 아래로 떨어질 때, 바람직한 변화는 더 짧은 파장에 대한 것이며, 유사한 파장 백분율 변화가 표 1 내지 4의 예시에서와 같이 바람직할 수 있다.
표 1은 SOC가 약 1 B인 재료에 대해 프린지 카운트가 상이한 측정 창에 대한 바람직한 파장 변화를 제공한다.
표 1
표 2는 SOC가 약 2 B인 재료에 대해 프린지 카운트가 상이한 측정 창에 대한 바람직한 파장 변화를 제공한다.
표 2
표 3은 SOC가 약 3 B인 재료에 대해 프린지 카운트가 상이한 측정 창에 대한 바람직한 파장 변화를 제공한다.
표 3
표 4는 SOC가 약 4 B인 재료에 대해 프린지 카운트가 상이한 측정 창에 대한 바람직한 파장 변화를 제공한다.
표 4
표 1 내지 4의 예시는 일부 경우에 제 1 측정 파장의 약 28 %까지 파장을 변화시키는 것이 유리할 수 있음을 입증한다. 많은 경우, 예를 들어, 8-24% 범위에서, 상당히 더 작은 파장 변화로 주요 이점을 얻을 수 있다. 편광 상태당 더 많은 프린지를 포함하는 모드 스펙트럼은 파장 둘 다에 대해 동시 선호 창 조건을 달성하기 위해 더 작은 파장 시프트를 필요로 한다. 그러한 경우, 연속적이고 정확한 품질 제어 측정 커버리지로 충분히 넓은 제작 창을 제공하기 위해 여러 개의 개별 파장(3 개 이상)이 필요할 수 있다.
예시적인 IOX 물품
하나의 예시에서, IOX 물품(10)은 조성물 63.16 mol% SiO2, 2.37 mol% B2O3, 15.05 mol% Al2O3, 9.24 mol% Na2O, 5.88 mol% Li2O, 1.18 mol% ZnO, 0.05 mol% SnO2, 및 2.47 mol% P2O5를 가진 유리 기판(20) 및 약 3B의 SOC로 형성되었다. 화학 강화를 위한 DIOX 프로세스가 사용되었다. 제 1 K+ - Li+ IOX 단계(즉 확산 이온(I1)으로 K+ 사용) 이후, TM 및 TE 모드 스펙트럼(115TM 및 115TE) 각각은 제 1 측정 파장 λ = 590 nm에서 2 내지 3 프린지를 가졌다. 제 2 IOX 단계 이후, TM 및 TE 모드 스펙트럼(115TM 및 115TE) 각각은 590 nm에서 3 내지 4 프린지를 가졌다. K+-기반 스파이크 영역(R1)의 형성과 연관된 표면 응력(CS)은 일반적으로 500 내지 640 MPa의 범위에 있다. 확산 이온(I2)으로 Na+를 사용하는 제 2 IOX 단계 이후 표면 응력(CS)는 통상적으로 750-950 MPa 범위에 있다.
여기에 설명된 방법을 사용하면, 545 nm, 590 nm 및 640 nm 각각의 측정 파장(λ) 주위를 중심으로 하는 3 개의 측정 파장 창을 사용할 때 단계 1 및 단계 2 둘 다에 대한 측정 요건이 연속적이고 효과적인 선호 측정 창으로 완전히 충족될 수 있다. 더욱이, 일 예시에서, 측정 광(62)의 스펙트럼 대역폭이 이들 측정 파장에서 약 8 nm, 9 nm 및 10 nm 각각을 초과하지 않는 것이 바람직하다. 심지어 더 높은 프린지 콘트라스트를 위해, 스펙트럼 대역폭은 4 nm, 5 nm 및 6 nm 각각으로 제한될 수 있다. 이로써, 하나의 예시에서, 각 측정 파장은 10 nm 이하의 스펙트럼 대역을 가지거나, 또 다른 예시에서, 6 nm 이하의 스펙트럼 대역을 가진다.
단계 2 이후 프린지 카운트가 590 nm 측정 창의 에지에 가까울 때, 모드 스펙트럼은 측정 창의 상단 또는 하단이 590 nm에 접근하는 여부에 따라서, 측정 파장을 증가 또는 감소시킴으로써 선호 측정 창 내부로 되돌아 온다. 3 개의 측정 파장 구현을 사용하는 또 다른 예시에서, 최단 측정 파장은 약 540 nm이고, 중간 측정 파장은 약 595 nm이며, 그리고 최장 측정 파장은 약 650 nm이다.
2 개 또는 3 개의 측정 파장이 예시로서 상기에서 논의되었지만, 임의의 합리적인 수의 측정 파장이 사용될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 측정 파장을 사용함은 측정 창을 2의 팩터까지 늘릴 수 있으며, 합리적인 제조 프로세스 창에 대한 요구를 충족하는 데 매우 적합할 수 있다. 다른 한편으로, 스파이크 깊이(D1)가 비교적 크고 편광 상태당 여러 개(예를 들어, 3, 4 또는 그 초과) 프린지를 생성하는 일부 경우, 또는 SOC가 4B와 같이 매우 높을 때, 3 개 초과의 파장이 바람직할 수 있다. 다수의 측정 파장은 상기의 3 개 파장 예시에서보다 서로 더 가깝게 배치될 수 있으며, 예를 들어, 이들 예시에서 3 개 측정 파장의 중간인 평균 파장의 7.6% 및 9.2% 각각만큼 이격될 수 있다.
예시적인 방법은 무릎 응력(CSk)의 측정에서, 그리고 스파이크의 깊이(
) 측정에서 체계적인 에러를 억제한다. 체계적인 에러의 억제는 다수의 측정 파장이 상이한 파장에서 선호 측정 창들 사이의 원활한 전환을 허용하기에 충분히 가깝도록 신중하게 선택될 때 본질적으로 완료될 수 있다. 이는 이웃 파장에서 선호 측정 창이 적어도 다소 중첩될 수 있음을 의미한다.
표 1 내지 4에 나열된 예시는 연속적인 범위의 제조 조건을 커버 할 수 있는 샘플 범위에 대한 체계적 에러가 실질적으로 없는 그러한 중첩 및 측정을 보장하는 바람직한 파장 시프트를 선택할 수 있도록 한다. 다른 한편으로, 파장이 창 중첩을 보장하는 바람직한 간격보다 다소 더 이격될 때, 측정 능력의 최대 확장이 얻어지지만, 부분적으로만 체계적인 에러를 억제한다. 소정의 IOX 물품(10)이 다수의 선호 측정 창을 갖는 생산 범위의 매우 증가된 커버리지로 인해 그러한 샘플을 가질 확률이 감소하더라도, 정확한 측정으로부터의 편차를 나타낼 수 있는 가능성이 여전히 존재한다.
일부 실시예에서, TM 및 TE 스펙트럼(113TM 및 113TE) 중 적어도 하나가 선호 측정 창에 있지 않을 때 취해지는 교정 작동은 문제가 있는 스펙트럼을 선호 측정 창 내부로 가져 오는데 도움이 되도록 인터페이싱 유체(52)(예를 들어, 굴절률 오일)의 두께를 변화시키는 것을 포함한다. 이는 인터페이싱 유체가 도파관(26)의 일부로 고려될 수 있기 때문에 가능하다. 이 교정 작동으로 해결되는 주요 문제는 무릎 응력(CSk)을 정확하게 결정하는 것, 즉, 선택 허용 오차 내에서 결정하는 것이다. 측정 파장에서 인터페이싱 유체(52)의 바람직한 굴절률은 문제 스펙트럼이 일어나는 편광 상태에 대한 임계 굴절률보다 높다. 더욱이, 인터페이싱 유체(52)의 바람직한 굴절률은 임계 굴절률보다 0.1 이하만큼, 그 예로 약 0.06 이하만큼 또는 0.04 이하만큼 더 높다. 일부 실시예에서, 인터페이싱 유체(52)는 유리 표면상의 예상 굴절률(예를 들어, 칼륨 스파이크의 표면 굴절률)에 가능한 한 가까운 굴절률을 가지도록 선택될 수 있다.
특히, 인터페이싱 유체 굴절률(nf)은 표면 굴절률(n0)의 약 0.004 또는 0.003 이내 일 수 있다. 표면 굴절률(n0)은 일반적으로 스파이크에서의 상당한 표면 응력으로 인해 TM 및 TE 편광에 대해 상이하지만, 그 차이는 일반적으로 0.004 미만이며, 대부분 0.003 미만이다. 상기에서 유의된 바와 같이, 인터페이싱 유체(52)는 결합 프리즘(40)의 프리즘 결합 표면(44)과 IOX 물품(10)의 표면(12) 사이에 존재하고, 인터페이싱 유체의 두께(TH)는 진공 시스템(56)을 사용하여 제어될 수 있다. 초기에, 진공의 양은 비교적 높을 수 있고, 인터페이싱 유체(52)의 두께(TH)를 비교적 작게, 예를 들어 200 nm 이하, 또는 심지어 100 nm 이하로 만든다. 인터페이싱 유체(52)의 이 두께(TH)로, 표면 압축 응력(CS) 및 스파이크 깊이(D1)는 적절한 정확도로 측정될 수 있다. 스파이크 깊이(D1)는 0.1 미크론 또는 심지어 0.2 미크론까지 과대-평가될 수 있으며, 이는 많은 경우에 허용될 수 있다. 표면 압축 응력(CS)은 실제로 0.1 또는 심지어 0.2 미크론만큼 높을 수 있을 때 인터페이싱 유체 두께가 0이라고 가정함으로써 다소 과소-평가될 수 있다.
일 예시에서, 인터페이싱 유체(52)의 두께(TH)는 누출 모드의 유효 굴절률을 증가시켜 이를 도파관(26)의 준(quasi)-안내 모드로 전환하는 방식으로 조정되며, 준 안내 모드는 임계각 전환에 대응하는 굴절률의 것보다 높은 유효 굴절률을 가진다.
또 다른 예시에서, 인터페이스 유체(52)의 두께(TH)는 누출 모드의 유효 굴절률을 증가시켜 이를 도파관(26)의 준(quasi)-안내 모드로 전환하고, 그 결과 새로운 모드 카운트의 소수부(FP)가 이제 선호(확장) 측정 창(MWE)에 속하는 방식으로 조정되며, 인터페이싱 유체의 굴절률은 임계각에 대응하는 굴절률보다 높을 수 있다.
또 다른 예시에서, 인터페이스 유체(52)의 두께(TH)는 누설 모드의 유효 굴절률을 감소시켜 이를 도파관(26)의 준-안내 모드로 전환하고, 그 결과 새로운 모드(프린지) 카운트의 소수부(FP)가 이제 선호 측정 창(MWE)에 속하도록 조정된다. 이 경우, 인터페이싱 유체(52)의 굴절률은 상기 임계각에 대응하는 굴절률보다 낮을 수 있다.
또 다른 예시는 누출 모드의 유효 굴절률을 변화시켜 이를 임계각 유효 굴절률보다 높은 유효 굴절률을 가진 준-안내 모드로 전환하기 위해 인터페이싱 유체(52)의 굴절률을 변화시키는 것을 포함한다. 상기 예시는 또한 소수부(FP)가 선호 측정 창과 연관된 소수부 범위 내에 속하도록 프린지 카운트의 소수부(FP)를 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 여기의 설명에서, 인터페이싱 유체(52)의 굴절률을 변화시키는 것은 제 1 굴절률을 가진 제 1 인터페이싱 유체의 적어도 일부를 제 2 굴절률을 가진 제 2 인터페이싱 유체로 교체하는 것을 포함한다. 이 프로세스는 제 1 굴절률과 제 2 굴절률 사이의 임의의 굴절률을 기본적으로 정의하는데 사용될 수 있다.
프리즘-결합 시스템(28)이 원하는 구성으로 위치되고 모드 스펙트럼(114)이 수집되면, CS 및 DOL 값이 기록된다. TM 및 TE 모드 스펙트럼(113TM 및 113TE) 둘 다가 상술된 바와 같이 선호 측정 창 내에 속하는 경우, TM 및 TE 임계 굴절률(ncrit)는 각 임계각 전환(116)의 세기 프로파일에서 가장 높은 경사의 위치로 측정된다. 이 무릎 응력(CSk)를 계산하는데 사용되는 복굴절 측정을 제공한다.
다른 한편으로, TM 또는 TE 모드 스펙트럼(115TM 및 115TE) 중 적어도 하나가 선호 측정 창에 없는 경우, 문제가 있는 TM 또는 TE 모드 스펙트럼의 누출 또는 안내 모드는 위반될 수 있고, 즉 임계 굴절률에 너무 가까운 유효 굴절률을 가져, 임계각 전환(116)의 겉보기 위치에 악영향을 미친다. 이 시점에서, 인터페이싱 유체(52)의 두께(TH)는, 예를 들어, 문제가 있는 누출 또는 안내 모드의 유효 굴절률이 위반되지 않기에 충분히 증가될 때까지, 즉, 임계각 전환(116)이 실질적으로 방해받지 않고 주어진 편광에 대한 임계각(및 따라서 임계 굴절률)이 정확하게 측정될 수 있도록 임계 굴절률보다 충분히 높게 될 때까지 진공을 감소시킴으로써(예를 들어, 압력을 증가시킴으로써) 증가될 수 있다.
TM 및 TE 편광 둘 다에 대한 임계각이 동시에 측정되는 것이 바람직하지만, 이는 요구되지 않는다. 다른 편광 상태에 대한 측정된 제 1 모드 스펙트럼이 교정 작동을 취하기 전에 선호 측정 창에 있었다면, 굴절률 매칭 유체(52)의 원래 두께를 사용하여 다른 편광 상태에 대해 측정된 임계각 위치를 사용하여 CSk를 측정할 수 있다. TM 및 TE 모드 스펙트럼(113TM 및 113TE) 둘 다를 동시에 측정하도록 선택하면 시간이 지남에 따라 일어날 수 있는 프리즘-결합 시스템(28)의 미세한 변화로 인한 에러를 방지하는데 도움이 된다.
실험 결과
도 4는 리튬-기반 알루미노실리케이트 유리 기판(20)을 사용하여 제조된 IOX 물품(10)에 대한 제 1 IOX 프로세스에 대하여 스파이크 깊이(D1, ㎛) 대 시간 t1(시간)의 플롯이다. 개방형 사각형은 595 nm의 단일 측정 파장(λ)에서 동작하는 광원(60)을 갖는 프리즘-결합 시스템(28)을 사용하여 이루어진 측정이다. 흑색 원형은 540 nm, 595 nm 및 650 nm를 중심으로 하는 3 개의 상이한 측정 파장(λ)에서 동작하도록 구성된 광원(60)을 갖는 프리즘-결합 시스템(28)을 사용한 측정이다.
단일-파장 측정 방법에 대한 초기("원본") 측정 창 MWO는 긴 파선으로 표시되는 반면, 여기에 설명된 바와 같이 3 개의 파장 측정 방법 및 프리즘-결합 시스템에 대한 확장(선호) 측정 창(MWE)은 짧은 파선으로 나타난다. 3 개의 측정 파장(λ)를 사용하는 확장 측정 창(MWE)은 단일-파장 측정 창(MWO)에 비해 상당하게 확장된다. IOX 프로세스 시간이 IOX 물품(10)의 굴절률 프로파일을 정의하기 때문에, 더 넓은 범위의 IOX 프로세스 시간을 가진 확장 측정 창(MWE)은 더 넓은 범위의 스파이크-기반 굴절률 프로파일을 갖는 IOX 물품이 무릎 응력(CSk)과 같은 적어도 하나의 응력 특성에 대해 특징지어질 수 있음을 의미한다.
도 5는, 리튬-함유 알루미노실리케이트 유리 기판(20)으로부터 형성된 예시적인 IOX 물품(10)에 대하여, 무릎 응력 CSk(MPa) 대 TM 모드(프린지) 카운트(NTM)의 플롯이다. 단일-파장 측정은 595 nm의 측정 파장(λ)에서 이루어졌으며 x로 나타낸다. 3 개 파장 측정은 540 nm, 595 nm, 650 nm의 측정 파장에서 이루어졌으며 흑색 사각형으로 나타난다. 단일-파장 측정은 모드 카운트가 증가함에 따라CSk가 단조 연속 감소하는 것을 따르지 않는 반면, 3 개의 파장 측정은 20 MPa를 초과하지 않는 비교적 작은 측정 노이즈에 의해 제한되는 정확도 내에서 그러한 패턴을 따른다. 모드 카운트의 증가는 2 단계 IOX 프로세스로 얻어졌으며, 여기서 단계 1은 모든 샘플에 대해 동일했으며 단계 2에서 확산 시간은 동일한 단계 2 IOX 요조를 모두 사용하여 상이한 샘플들 간에 변화되었다. TM 모드(프린지) 카운트는 이 데이터 세트에서 약 3 내지 약 4.5 모드 사이에서 변환된다. TE 모드 카운트는 동일한 데이터 세트에 대해 TM 모드 카운트보다 약 9%(0.3-0.4 프린지)만큼 낮으며, 둘러싸여 있는 데이터 지점에 대한 확장 측정 창 외부에 있다.
도 6은 도 5에서 측정된 동일한 IOX 물품(10)에 대해 2 단계 이온 교환(DIOX) 대 제 1 단계 이온 교환 시간("단계 1 시간) t1(시간) 이후의 측정된 무릎 응력(CSk)의 플롯이다. CSk의 예상 추세는 시간(t1)이 증가함에 따라 느리게 단조 감소하는 것이다. 단일-파장(λ = 595 nm) 측정은 x-기호로 나타나는 반면, 3 개의 파장(λ = 540 nm, 595 nm 및 650 nm) 측정 결과는 흑색 사각형으로 나타난다. 3 개의 파장이 연속 커버리지에 대한 최적보다 다소 멀리 떨어져 있을지라도 3 개의 파장 측정에 대한 데이터 지점은 단일-파장 측정보다 예상되는 단조 추세(파선)에 수월하게 따른다. 이로써, 2 개 이상의 가깝게 이격된 측정 파장(예를 들어, λ = 545 nm, 590 nm 및 640 nm)을 방출하는 광원(60)을 가진 프리즘-결합 시스템(28)은 예상되는 단조 추세로부터의 편차를 상당하게 감소시키며, 이는 응력-관련 특성의 보다 정확한 측정을 할 수 있게 한다.
도 7은 도 4와 유사하고, 595 nm의 단일 측정 파장(개방형 사각형)을 가진 단일-파장 프리즘-결합 시스템(28), 및 540 nm, 595 nm, 및 650 nm의 3 개 측정 파장(흑색 원형)을 가진 프리즘-결합 시스템(28)을 사용하여 이루어진 측정에 대하여, 도 6의 IOX 물품(10)에 대한 스파이크 깊이(D1)(미크론, microns) 대 단계 1 시간(t1)(시간, hours)의 플롯이다. 단일-파장 측정 창(MWO)은 긴 파선으로 나타내는 반면, 확장 측정 창(MWE)은 짧은 파선으로 나타낸다. 선호 측정 창의 우측 상단 에지 상에서, 보고된 스파이크 깊이(D1)는 TM 임계각 전환(116)으로의 위반 TM 누출 모드의 근접성으로 인해 정확한 값 아래로 떨어진다. 이와 마찬가지로, 선호 측정 창의 좌측 하단 에지 상에서, 위반 TE 안내 모드는 임계각 전환(116)에 너무 가깝게 일어난다. 무릎 응력(CSk)은 TM 모드 스펙트럼(113TM)만을 기반으로 하여 플롯의 스파이크 깊이(D1)가 측정되기 때문에, 스파이크 깊이(D1)가 영향을 받지 않더라도 과소-평가될 수 있다. 무릎 응력의 보다 정확한 추정은 TE 및 TM 모드 스펙트럼(113TE 및 113TM) 둘 다로부터의 데이터를 포함하여 얻어질 수 있다.
도 8a 및 8b는 각각 4 개의 TM 및 TE 모드 또는 프린지(115TM 및 115TE)를 포함하는 TM 및 TE 모드 스펙트럼(113TM 및 113TE)의 개략도이다. 도 8a는 단일 측정 파장에 대한 모드 스펙트럼(113TM 및 113TE)을 나타내는 반면, 도 8b는 3 쌍의 모드 스펙트럼(113TM 및 113TE)을 나타내고, 각 쌍은 545 nm, 590 nm 및 640 nm의 3 개 측정 파장에 대한 것이다. 도 8a의 단일-파장 시스템에 대한 유효 측정 창(MWO)은 약 0.5 프린지의 크기를 가지는 반면, 측정된 도 8b의 3 개 파장 시스템에 대한 확장 측정 창(MWE)은 약 0.9 프린지 또는 단일-파장 측정 창(MWO)의 약 2 배이다.
취약성
취약적인 거동 또는 "취약성"은 유리 기반 물품이 충격 또는 상해를 받을 때 특정 파괴성 거동을 의미한다. 여기에서 이용되는 바와 같이, 유리 기반 물품(특히, 여기에서 고려되는 바와 같은 유리-기반 IOX 물품(10))은 취약성 테스트의 결과로 테스트 영역에서 다음 중 적어도 하나를 나타낼 때 비-취약성인 것으로 고려된다: (1) 적어도 1 mm의 가장 큰 치수를 갖는 4 개 이하의 파편 및/또는(2) 분기(bifurcations) 수가 크랙 브랜치(crack branches) 수 이하이다. 파편, 분기 및 크랙 브랜치는 충격 지점 중심에 있는 임의의 2 인치 x 2 인치 사각형을 기반으로 하여 카운팅된다. 이로써, 유리 기반 물품은 아래에 설명된 절차에 따라 파손이 생성되는 충격 지점을 중심으로 하는 임의의 2 인치 x 2 인치 사각형에 대해 테스트(1) 및 (2) 중 하나 또는 둘 다를 충족하는 경우 비-취약성인 것으로 고려된다. 다양한 예시에서, 화학적으로 강화된 IOX 물품(10)은 취약성 또는 비-취약성인 것일 수 있다.
취약성 테스트에서, 충격 프로브가 유리 기반 물품과 접촉하게 되되, 충격 프로브가 연속적인 접촉 반복으로 증가하는 유리 기반 물품으로 확장되는 깊이로 접촉하게 된다. 충격 프로브의 깊이가 단계적으로 증가하면 충격 프로브에 의해 생성된 결함이 장력 영역에 도달하게 하면서 유리의 취약한 거동을 정확하게 결정하는데 방해가 되는 과도한 외력의 적용을 방지할 수 있다. 일 실시예에서, 유리에서 충격 프로브의 깊이는 각 반복으로 약 5 ㎛만큼 증가될 수 있으며, 충격 프로브는 각 반복 사이에 유리와의 접촉으로부터 제거된다. 테스트 영역은 충격 지점 중심에 있는 임의의 2 인치 x 2 인치 사각형이다.
도 9a는 예시적인 IOX 물품(10)의 형태로 테스트 유리 기반 물품에 대한 비-취약성 테스트 결과를 도시한다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 테스트 영역은 충격 지점(230)을 중심으로 하는 사각형이고, 사각형 a의 변의 길이는 2 인치이다. 도 9a에 도시된 비-취약적인 샘플은 3 개의 파편(242) 및 2 개의 크랙 브랜치(240) 및 단일 분기(250)를 포함한다. 이로써, 도 9a에 도시된 비-취약성 IOX 물품(10)은 적어도 1mm의 가장 큰 치수를 가진 4 개 미만의 파편을 포함하고 분기의 수는 크랙 브랜치의 수 이하이다. 여기에서 이용되는 바와 같이, 크랙 브랜치는 충격 지점에서 비롯되며, 파편의 임의의 일부가 테스트 영역으로 확장되면 파편은 테스트 영역 내에 있는 것으로 간주된다.
코팅, 접착층 등이 여기에 기술된 강화 유리 물품과 함께 사용될 수 있지만, 그러한 외부 제한은 유리 기반 물품의 취약성 또는 취약성 거동을 결정하는데 사용되지 않는다. 일부 실시예에서, 유리 기반 물품의 파괴성 거동에 영향을 미치지 않는 필름은 유리 물품으로부터 파편이 방출되는 것을 방지하기 위해 취약성 테스트에 앞서 유리 기반 물품에 적용될 수 있어서, 테스트를 수행하는 사람에 대해 안전성을 증가시킨다.
도 9b는 예시적인 IOX 물품(10)의 형태로 테스트 유리 물품에 대한 취약성 테스트 결과를 도시한다. 취약성 IOX 물품(10)은 적어도 1 mm의 가장 큰 치수를 가진 5 개의 파편(242)을 포함한다. 도 9b에 도시된 IOX 물품(10)은 2 개의 크랙 브랜치(240) 및 3 개의 분기(250)를 포함하며, 크랙 브랜치보다 더 많은 분기를 생성한다. 이로써, 도 9b에 도시된 샘플은 4 개 이하의 파편, 또는 크랙 브랜치의 수 이하인 분기의 수를 나타내지 않는다.
여기에 설명된 취약성 테스트에서, 충격은 강화된 유리 기반 물품 내에 존재하는 내부 저장 에너지를 방출하기에 확실하게 충분한 힘으로 유리 기반 물품의 표면에 전달된다. 즉, 지점 충격력은 강화된 유리 기반 물품의 표면에 적어도 하나의 새로운 크랙을 생성하고 압축 응력(CS) 영역(즉, 층 깊이)을 통해 중심 장력(CT) 아래에 있는 영역으로 크랙을 확장하기에 충분하다.
첨부된 청구항에 정의된 바와 같은 본 개시의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 여기에 설명된 바와 같은 본 개시의 바람직한 실시예에 대한 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 이로써, 본 개시는 수정 및 변형을 커버하되, 이들이 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 있다면 그러하다.
Claims (75)
- 유리-기반 기판에서 광 도파관을 정의하는 표면 근처 스파이크 영역 및 깊은 영역을 갖는, 굴절률 프로파일을 가진 화학적으로 강화된 물품에서 무릎 응력(knee stress)을 추정하는 방법에 있어서,
a) 초기 측정 구성에서 설정된 프리즘-결합 시스템을 사용하여 상기 화학적으로 강화된 물품에 대한 TM 및 TE 모드 스펙트럼을 수집하는 단계;
b) 상기 TM 및 TE 모드 스펙트럼을 검사하고 이들이 선호 측정 창(preferred measurement window) 내에 속하지 않음을 발견하는 단계, 여기서 상기 선호 측정 창은 선택 허용 오차 내에서 상기 무릎 응력의 정확한 추정을 생성할 수 있음;
c) 상기 프리즘-결합 시스템의 측정 구성을 한번 이상 변화시키는 단계, 및 새로운 TM 및 TE 모드 스펙트럼을 측정하되, 상기 새로운 TM 및 TE 모드 스펙트럼이 상기 선호 측정 창 내에 속할 때까지 측정하는 단계; 및
d) 상기 무릎 응력을 결정하기 위해 상기 새로운 TM 및 TE 모드 스펙트럼을 사용하는 단계;를 포함하는, 무릎 응력 추정 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 측정 구성을 변환시키는 단계는:
i) 상기 프리즘-결합 시스템의 측정 광의 파장;
ii) 상기 프리즘-결합 시스템의 결합 프리즘과 상기 광 도파관 사이의 광학 결합을 제공하는데 사용된 인터페이싱 유체의 두께; 및 iii) 상기 인터페이싱 유체의 굴절률; 중 적어도 하나를 변화시키는 단계를 포함할 수 있는, 무릎 응력 추정 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 TM 및 TE 모드 스펙트럼 각각은 정수부(integer part) 및 소수부(fractional part, FP)를 가진 프린지 카운트를 가지며, 그리고
상기 선호 측정 창의 경우에, 상기 TM 및 TE 모드 스펙트럼 각각에 대한 소수부(FP)는 0.1 내지 0.85인, 무릎 응력 추정 방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 선호 측정 창의 경우에, 상기 TM 및 TE 모드 스펙트럼 각각에 대한 소수부(FP)는 0.15 내지 0.75인, 무릎 응력 추정 방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 TM 및 TE 모드 스펙트럼 각각은 내부 전반사(TIR) 섹션과 비-TIR 섹션 사이의 임계각 전환을 포함하고,
상기 TIR 섹션은 위치를 갖는 프린지를 포함하고, 상기 임계각 전환과 거리(Δnf)로 가장 가깝게 위치된 최근접 프린지를 포함하며, 그리고
상기 최근접 프린지로부터 거리(DVF)를 가진 가상 프린지의 위치를 정의하기 위해 상기 비-TIR 섹션으로 프린지 위치를 추론하는 단계, 및 관계 FP = △nf/DVF를 통해 상기 소수부(FP)를 결정하는 단계를 더욱 포함하는, 무릎 응력 추정 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 프리즘-결합 시스템은 상이한 측정 파장으로 광을 각각 방출하는 다수의 발광 요소를 포함하는 광원을 포함하며, 그리고
상기 측정 구성을 변화시키는 단계는 상기 발광 요소 중 하나를 턴 오프하고 상기 발광 요소 중 또 다른 것을 턴 온하는 것을 포함하는 측정 파장을 조정하는 단계를 포함하는, 무릎 응력 추정 방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 측정 파장은 540 nm 내지 650 nm의 파장 범위 내에 속하는 3 개의 상이한 측정 파장들 사이에서 변화될 수 있는, 무릎 응력 추정 방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 측정 파장을 변화시키는 것은 적어도 1%만큼 상기 측정 파장을 변화시키는 것을 포함하는, 무릎 응력 추정 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 측정 파장을 변화시키는 것은 1% 내지 25%만큼 상기 측정 파장을 변화시키는, 무릎 응력 추정 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 측정 파장을 변화시키는 것은 2% 내지 15%만큼 상기 측정 파장을 변화시키는, 무릎 응력 추정 방법. - 유리-기반 기판에서 광 도파관을 정의하는 표면 근처 스파이크 영역 및 깊은 영역을 가진 화학적으로 강화된 이온-교환(IOX) 물품에서 측정 무릎 응력을 수행하는 방법에 있어서,
a) 결합 프리즘을 가지고 제 1 구성으로 위치된 프리즘-결합 시스템을 사용하여 상기 광 도파관의 제 1 횡방향 자기(TM) 모드 스펙트럼 및 제 1 횡방향 전기(TE) 모드 스펙트럼을 포함한 제 1 모드 스펙트럼을 수집하는 단계, 여기서 상기 제 1 구성은 제 1 측정 파장에 의해, 그리고 상기 결합 프리즘과 상기 IOX 물품 사이의 인터페이스에 위치되는 인터페이싱 유체의 두께 및 굴절률에 의해 정의됨;
b) 상기 제 1 TM 모드 스펙트럼 및 상기 제 1 TE 모드 스펙트럼을 평가하는 단계 및 상기 TM 모드 스펙트럼 및 상기 TE 모드 스펙트럼 중 적어도 하나가 선택 허용 오차 내에 상기 무릎 응력을 추정하는 것을 허용하는 선호 측정 창 외부에 위치되는 것을 발견하는 단계;
c) 상기 측정 파장, 상기 인터페이싱 유체의 두께 및 상기 인터페이싱 유체의 굴절률 중 적어도 하나를 조정하여 상기 프리즘-결합 시스템을 제 2 구성으로 위치시키는 단계;
d) 상기 제 2 구성에서 상기 프리즘-결합 시스템을 사용하여, 상기 광 도파관의 제 2 TM 모드 스펙트럼 및 제 2 TE 모드 스펙트럼을 포함하는 제 2 모드 스펙트럼을 수집하는 단계, 여기서 상기 제 2 구성은 상기 선호 측정 창 내에서 제 2 TM 모드 스펙트럼 및 제 2 TE 모드 스펙트럼을 위치시킴; 및
e) 상기 제 2 TM 모드 스펙트럼 및 제 2 TE 모드 스펙트럼을 사용하여 상기 선택 허용 오차 내에 상기 무릎 응력을 결정하는 단계;를 포함하는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 11에 있어서,
단계 a), c) 및 d)는 단계 b)에 앞서 수행되는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 11에 있어서,
단계 c)는 상기 측정 파장만을 조정하는 단계를 포함하는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 11에 있어서,
상기 프리즘-결합 시스템은 상이한 측정 파장으로 광을 각각 방출하는 다수의 발광 요소를 포함하는 광원을 포함하며, 그리고
단계 c)는 상기 발광 요소 중 하나를 턴 오프하고 상기 발광 요소 중 또 다른 것을 턴 온하는 것을 포함하는 측정 파장을 조정하는 단계를 포함하는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 상이한 측정 파장은 10 nm 미만인 파장 대역을 각각 가진 3 개의 상이한 측정 파장을 포함하는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 상이한 측정 파장은 6 nm 미만인 파장 대역을 각각 가진 3 개의 상이한 측정 파장을 포함하는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 상이한 측정 파장은 540 nm 내지 650 nm의 파장 범위 내에 속하는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 11에 있어서,
상기 측정 파장을 조정하는 것은 적어도 1%만큼 상기 측정 파장을 변화시키는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 18에 있어서,
상기 측정 파장을 조정하는 것은 1% 내지 25%만큼 상기 측정 파장을 변화시키는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 18에 있어서,
상기 측정 파장을 조정하는 것은 2% 내지 15%만큼 상기 측정 파장을 변화시키는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 18에 있어서,
상기 측정 파장을 조정하는 것은 3% 내지 11%만큼 상기 측정 파장을 변화시키는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 11에 있어서,
상기 TM 및 TE 모드 스펙트럼 각각은 정수부 및 소수부(FP)를 가진 프린지 카운트를 가지며, 그리고
상기 선호 측정 창의 경우에, 상기 TM 및 TE 모드 스펙트럼 각각에 대한 소수부(FP)는 0.1 내지 0.85인, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 선호 측정 창의 경우에, 상기 TM 및 TE 모드 스펙트럼 각각에 대한 소수부(FP)는 0.15 내지 0.75인, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 TM 및 TE 모드 스펙트럼 각각은 내부 전반사(TIR) 섹션과 비-TIR 섹션 사이의 임계각 전환을 포함하고,
상기 TIR 섹션은 위치를 갖는 프린지를 포함하고, 상기 임계각 전환과 거리(Δnf)로 가장 가깝게 위치된 최근접 프린지를 포함하며, 그리고
상기 최근접 프린지로부터 거리(DVF)를 가진 가상 프린지의 위치를 정의하기 위해 상기 비-TIR 섹션으로 프린지 위치를 추론하는 단계, 및 관계 FP = △nf/DVF를 통해 상기 소수부(FP)를 결정하는 단계를 더욱 포함하는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 11에 있어서,
단계 c)는 상기 인터페이싱 유체의 두께만을 조정하는 단계를 포함하는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 11에 있어서,
상기 인터페이싱 유체의 두께를 조정하는 단계 c)는 상기 인터페이스에 제공된 진공의 양을 변화시키는 단계를 포함하고, 상기 진공의 양의 증가는 상기 두께를 감소시키며, 그리고 상기 진공의 양의 감소는 상기 두께를 증가시키는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 26에 있어서,
상기 광 도파관은 임계각을 가지고, 상기 임계각은 임계각 유효 굴절률을 갖고, 그리고 유효 굴절률을 가진 누출 모드를 지원하며, 그리고
상기 방법은:
상기 누출 모드의 유효 굴절률을 변화시켜 상기 임계각 유효 굴절률보다 높은 유효 굴절률을 가진 준(quasi)-안내 모드로 변환하도록 상기 인터페이싱 유체의 두께를 변화시키는 단계를 더욱 포함하는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 27에 있어서,
상기 인터페이싱 유체의 두께를 변화시키는 단계는 상기 누출 모드의 유효 굴절률을 증가시키며, 그리고
상기 인터페이싱 유체는 상기 임계각 유효 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 27에 있어서,
상기 인터페이싱 유체의 두께를 변화시키는 단계는 상기 누출 모드의 유효 굴절률을 감소시키며, 그리고
상기 인터페이싱 유체는 상기 임계각 유효 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 27에 있어서,
상기 TM 및 TE 모드 스펙트럼 각각은 정수부 및 소수부(FP)를 가진 프린지 카운트를 가지며, 그리고
상기 인터페이싱 유체의 두께를 변화시키는 단계는, 상기 소수부(FP)가 상기 선호 측정 창과 연관된 소수부 범위 내에 속하도록, 상기 프린지 카운트의 소수부(FP)를 변화시키는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 30에 있어서,
상기 소수부 범위는 0.1 내지 0.85인, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 30에 있어서,
상기 소수부 범위는 0.15 내지 0.75인, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 30에 있어서,
상기 광 도파관은 임계각을 가지고, 상기 임계각은 임계각 유효 굴절률을 갖고, 그리고 유효 굴절률을 가진 누출 모드를 지원하며, 그리고
상기 방법은:
상기 누출 모드의 유효 굴절률을 변화시켜 상기 임계각 유효 굴절률보다 높은 유효 굴절률을 가진 준-안내 모드로 변환하도록 상기 인터페이싱 유체의 굴절률을 변화시키는 단계를 더욱 포함하는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 33에 있어서,
상기 TM 및 TE 모드 스펙트럼 각각은 정수부 및 소수부(FP)를 가진 프린지 카운트를 가지며, 그리고
상기 인터페이싱 유체의 굴절률을 변화시키는 단계는, 상기 소수부(FP)가 상기 선호 측정 창과 연관된 소수부 범위 내에 속하도록, 상기 프린지 카운트의 소수부(FP)를 변화시키는, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 34에 있어서,
상기 소수부 범위는 0.1 내지 0.85인, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 청구항 35에 있어서,
상기 소수부 범위는 0.15 내지 0.75인, 측정 무릎 응력 수행 방법. - 유리-기반 기판에서 형성되고 광 도파관을 정의하는 표면 근처 스파이크 영역 및 깊은 영역을 가진 화학적으로 강화된 이온-교환(IOX) 물품의 응력 특성을 측정하는 프리즘-결합 시스템에 있어서,
g) 입력 표면, 출력 표면 및 결합 표면을 가진 결합 프리즘, 여기서 상기 결합 표면은 기판 상부 표면에서 상기 도파관과 인터페이싱되어, 인터페이싱 유체 굴절률 및 두께를 갖는 인터페이싱 유체를 가진 인터페이스를 정의함;
h) 상기 인터페이스에 공압식으로 연결되고 상기 인터페이스에서 진공의 양을 변화시키도록 구성된 진공 시스템;
i) 상기 인터페이스에 유체적으로 연결되고 하나 이상의 인터페이싱 유체를 상기 인터페이스에 공급하도록 구성된 인터페이싱 유체 공급부;
j) 다수의 상이한 측정 파장으로부터 선택 가능한 측정 파장을 가진 측정 광을 방출하는 광원 시스템, 여기서 상기 측정 광은 상기 프리즘의 입력 표면을 통해 상기 인터페이스를 조명하여, 상기 결합 프리즘의 출력 표면을 빠져나가는 반사 광을 형성하고, 상기 반사 광은 횡방향 자기(TM) 모드 스펙트럼 및 횡방향 전기(TE) 모드 스펙트럼을 정의함;
k) 상기 결합 프리즘으로부터의 반사 광을 수신하고, 상기 제 1 TM 모드 스펙트럼 및 제 1 TE 모드 스펙트럼을 검출하도록 배치된 광 검출기 시스템;
l) 다음 작동을 수행하도록 구성된 제어기:
a. 선택 허용 오차 내에 상기 제 1 TM 모드 스펙트럼 및 상기 제 1 TE 모드 스펙트럼으로부터의 무릎 응력을 추정하는 것을 허용하는 선호 측정 창의 외부에, 상기 제 1 TM 모드 스펙트럼 및 상기 제 1 TE 모드 스펙트럼 중 적어도 하나가 위치되는 것을 발견하기 위해 상기 제 1 TM 모드 스펙트럼 및 상기 제 1 TE 모드 스펙트럼을 프로세싱하는 작동;
b. i) 상기 측정 파장, ii) 상기 인터페이싱 유체의 두께 및 iii) 상기 인터페이싱 유체의 굴절률; 중 적어도 하나를 조정하여 상기 프리즘-결합 시스템을 제 2 구성으로 위치시키는 작동;
c. 상기 제 2 구성에서 상기 프리즘-결합 시스템을 사용하여, 제 2 TM 모드 스펙트럼 및 제 2 TE 모드 스펙트럼을 수집하는 작동, 여기서 상기 제 2 구성은 상기 선호 측정 창 내에서 제 2 TM 모드 스펙트럼 및 제 2 TE 모드 스펙트럼을 위치시킴; 및
d. 상기 제 2 TM 모드 스펙트럼 및 제 2 TE 모드 스펙트럼을 사용하여 상기 선택 허용 오차 내에 상기 무릎 응력을 결정하는 작동;을 포함하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 37에 있어서,
상기 광원 시스템은 튜닝 가능한 레이저를 포함하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 37에 있어서,
상기 광원 시스템은 복수의 발광 요소를 포함하고, 상기 발광 요소 각각은 다수의 상이한 측정 파장 중 하나를 방출하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 39에 있어서,
상기 복수의 발광 요소는 레이저 다이오드 또는 발광 다이어드 중 적어도 하나를 포함하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 37에 있어서,
상기 다수의 상이한 측정 파장은 540 nm 내지 650 nm인, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 37에 있어서,
상기 다수의 상이한 측정 파장은 10 nm 미만의 파장 대역을 각각 가진 3 개의 상이한 측정 파장을 포함하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 37에 있어서,
상기 상이한 측정 파장은 6 nm 미만의 파장 대역을 각각 가진 3 개의 상이한 측정 파장을 포함하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 37에 있어서,
상기 상이한 측정 파장은 540 nm 내지 650 nm의 파장 범위 내에 속하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 37에 있어서,
상기 상이한 측정 파장은 적어도 1%만큼 서로 상이한, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 45에 있어서,
상기 상이한 측정 파장은 1% 내지 25%만큼 서로 상이한, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 46에 있어서,
상기 상이한 측정 파장은 2% 내지 15%만큼 서로 상이한, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 47에 있어서,
상기 상이한 측정 파장은 3% 내지 11%만큼 서로 상이한, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 37에 있어서,
상기 TM 모드 스펙트럼 및 상기 TE 모드 스펙트럼 각각은 정수부 및 소수부(FP)를 가진 프린지 카운트를 가지며, 그리고
상기 선호 측정 창의 경우에, 상기 TM 모드 스펙트럼 및 TE 모드 스펙트럼 각각에 대한 소수부(FP)는 0.1 내지 0.85인, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 49에 있어서,
상기 선호 측정 창의 경우에, 상기 TM 및 TE 모드 스펙트럼 각각에 대한 소수부(FP)는 0.15 내지 0.75인, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 49에 있어서,
상기 TM 모드 스펙트럼 및 상기 TE 모드 스펙트럼 각각은 내부 전반사(TIR) 섹션과 비-TIR 섹션 사이의 임계각 전환을 포함하고,
상기 TIR 섹션은 위치를 갖는 프린지를 포함하고, 상기 임계각 전환과 거리(Δnf)로 가장 가깝게 위치된 최근접 프린지를 포함하며, 그리고
상기 시스템은 상기 제어기가 상기 최근접 프린지로부터 거리(DVF)를 가진 가상 프린지의 위치를 정의하기 위해 상기 비-TIR 섹션으로 프린지 위치를 추론하고 관계 FP = △nf/DVF를 통해 상기 소수부(FP)를 결정하는 것을 더욱 포함하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 37에 있어서,
상기 광 도파관은 임계각을 가지고, 상기 임계각은 임계각 유효 굴절률을 갖고, 그리고 유효 굴절률을 가진 누출 모드를 지원하며, 그리고
상기 프리즘-결합 시스템을 제 2 구성으로 위치시키는 작동은 상기 누출 모드의 유효 굴절률을 변화시켜 상기 임계각 유효 굴절률보다 높은 유효 굴절률을 가진 준-안내 모드로 변환하도록, 상기 진공 시스템을 사용하여 상기 인터페이스에서 진공의 양을 변화시킴으로써 상기 인터페이싱 유체의 두께를 변화시키는 것을 포함하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 52에 있어서,
상기 인터페이싱 유체의 두께 변화는 상기 누출 모드의 유효 굴절률을 증가시키며, 그리고
상기 인터페이싱 유체는 상기 임계각 유효 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 52에 있어서,
상기 인터페이싱 유체의 두께 변화는 상기 누출 모드의 유효 굴절률을 감소시키며, 그리고
상기 인터페이싱 유체는 상기 임계각 유효 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 52에 있어서,
상기 TM 및 TE 모드 스펙트럼 각각은 정수부 및 소수부(FP)를 가진 프린지 카운트를 가지며, 그리고
상기 인터페이싱 유체의 두께 변화는, 상기 소수부(FP)가 상기 선호 측정 창과 연관된 소수부 범위 내에 속하도록, 상기 프린지 카운트의 소수부(FP)를 변화시키는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 55에 있어서,
상기 소수부 범위는 0.1 내지 0.85인, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 56에 있어서,
상기 소수부 범위는 0.15 내지 0.75인, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 37에 있어서,
상기 광 도파관은 임계각을 가지고, 상기 임계각은 임계각 유효 굴절률을 갖고, 그리고 유효 굴절률을 가진 누출 모드를 지원하며, 그리고
상기 시스템은:
상기 누출 모드의 유효 굴절률을 변화시켜 상기 임계각 유효 굴절률보다 높은 유효 굴절률을 가진 준-안내 모드로 변환하도록 상기 인터페이싱 유체 공급부를 사용하여 상기 인터페이싱 유체의 굴절률을 변화시키는 것을 더욱 포함하는 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템., - 청구항 58에 있어서,
상기 TM 및 TE 모드 스펙트럼 각각은 정수부 및 소수부(FP)를 가진 프린지 카운트를 가지며, 그리고
상기 인터페이싱 유체의 굴절률 변화는, 상기 소수부(FP)가 상기 선호 측정 창과 연관된 소수부 범위 내에 속하도록, 상기 프린지 카운트의 소수부(FP)를 변화시키는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 59에 있어서,
상기 소수부 범위는 0.1 내지 0.85인, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 60에 있어서,
상기 소수부 범위는 0.15 내지 0.75인, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 유리-기반 기판에서 형성되고 광 도파관을 정의하는 표면 근처 스파이크 영역 및 깊은 영역을 가진 화학적으로 강화된 이온-교환(IOX) 물품의 응력 특성을 측정하는 프리즘-결합 시스템에 있어서,
입력 표면, 출력 표면 및 결합 표면을 가진 결합 프리즘, 여기서 상기 결합 표면은 기판 상부 표면에서 상기 도파관과 인터페이싱되어, 인터페이싱 유체 굴절률 및 두께를 갖는 인터페이싱 유체를 가진 인터페이스를 정의함;
선택 가능한 측정 파장을 가진 측정 광을 방출하도록 구성된 광원 시스템, 여기서 상기 측정 광은 상기 프리즘의 입력 표면을 통해 상기 인터페이스를 조명하여, 상기 결합 프리즘의 출력 표면을 빠져나가는 반사 광을 형성하고, 상기 반사 광은 횡방향 자기(TM) 모드 스펙트럼 및 횡방향 전기(TE) 모드 스펙트럼을 정의함;
상기 결합 프리즘으로부터의 반사 광을 수신하고, 초기 TM 모드 스펙트럼 및 초기 TE 모드 스펙트럼을 초기 측정 파장에서 검출하도록 배치된 광 검출기 시스템;
다음 작동을 수행하도록 구성된 제어기:
iv) 상기 초기 TM 모드 스펙트럼 및 상기 초기 TE 모드 스펙트럼을 프로세싱하는 작동, 및 선택 허용 오차 내에 상기 제 1 TM 모드 스펙트럼 및 상기 제 1 TE 모드 스펙트럼으로부터의 무릎 응력을 추정하는 것을 허용하는 선호 측정 창의 외부에, 상기 제 1 TM 모드 스펙트럼 및 상기 제 1 TE 모드 스펙트럼 중 적어도 하나가 위치되는 것을 발견하는 작동;
v) 상기 광원의 측정 파장을 상기 선택 가능한 측정 파장으로 한 번 이상 변화시키는 작동, 및 하나 이상의 새로운 TM 모드 스펙트럼 및 하나 이상의 새로운 TE 모드 스펙트럼 각각을 수집하되, 상기 새로운 TM 모드 스펙트럼 및 상기 새로운 TE 모드 스펙트럼이 상기 선호 측정 창 내에 위치될 때까지 수집하는 작동; 및
vi) 상기 선호 측정 창 내에 위치되는 상기 새로운 TM 모드 스펙트럼 및 TE 모드 스펙트럼을 사용하여 상기 선택 허용 오차 내에서 상기 무릎 응력을 결정하는 작동;을 포함하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 62에 있어서,
상기 광원 시스템은 튜닝 가능한 레이저를 포함하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 62에 있어서,
상기 광원 시스템은 복수의 발광 요소를 포함하고, 상기 발광 요소 각각은 상기 선택 가능한 측정 파장 중 하나를 방출하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 64에 있어서,
상기 복수의 발광 요소는 레이저 다이오드 또는 발광 다이어드 중 적어도 하나를 포함하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 62에 있어서,
상기 선택 가능한 측정 파장은 540 nm 내지 650 nm인, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 62에 있어서,
상기 선택 가능한 측정 파장은 10 nm 미만의 파장 대역을 각각 가진 3 개의 상이한 측정 파장을 포함하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 62에 있어서,
상기 선택 가능한 측정 파장은 6 nm 미만의 파장 대역을 각각 가진 3 개의 상이한 측정 파장을 포함하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 62에 있어서,
상기 선택 가능한 측정 파장은 적어도 1%만큼 서로 상이한, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 69에 있어서,
상기 선택 가능한 측정 파장은 1% 내지 25%만큼 서로 상이한, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 70에 있어서,
상이한 측정 파장은 2% 내지 15%만큼 서로 상이한, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 71에 있어서,
상기 선택 가능한 측정 파장은 3% 내지 11%만큼 서로 상이한, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 62에 있어서,
상기 TM 모드 스펙트럼 및 상기 TE 모드 스펙트럼 각각은 정수부 및 소수부(FP)를 가진 프린지 카운트를 가지며, 그리고
상기 선호 측정 창의 경우에, 상기 TM 모드 스펙트럼 및 TE 모드 스펙트럼 각각에 대한 소수부(FP)는 0.1 내지 0.85인, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 73에 있어서,
상기 선호 측정 창의 경우에, 상기 TM 및 TE 모드 스펙트럼 각각에 대한 소수부(FP)는 0.15 내지 0.75인, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템. - 청구항 73에 있어서,
상기 TM 모드 스펙트럼 및 상기 TE 모드 스펙트럼 각각은 내부 전반사(TIR) 섹션과 비-TIR 섹션 사이의 임계각 전환을 포함하고,
상기 TIR 섹션은 위치를 갖는 프린지를 포함하고, 상기 임계각 전환과 거리(Δnf)로 가장 가깝게 위치된 최근접 프린지를 포함하며, 그리고
상기 시스템은 상기 제어기가 상기 최근접 프린지로부터 거리(DVF)를 가진 가상 프린지의 위치를 정의하기 위해 상기 비-TIR 섹션으로 프린지 위치를 추론하고 관계 FP = △nf/DVF를 통해 상기 소수부(FP)를 결정하는 것을 더욱 포함하는, 응력 특성 측정 프리즘-결합 시스템.
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