(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波モードスペクトルを測定する方法であって、
プリズムの結合面と導波路サンプルの表面との間に、結合インタフェースを形成するステップであって、前記導波路サンプルが、正規化された勾配|λ／ｎ  ｄｎ／ｄｚ|＞０．０００４（ここで、λは波長、ｎは屈折率、ｚは深度座標である）で、屈折率が減少する表面領域を有し、該表面領域が、表面から前記導波路サンプルの内部に延び、前記プリズムが、入射面及び出射面を有する、ステップと、
前記入射面および前記出射面の少なくとも一方の、光源から発する光ビームの光路の一部に、不透明な遮光要素を配置するステップであって、前記一部が、前記結合面と前記導波路サンプルとの間の接触平面に最も近い部分である、ステップと、
前記光ビームの少なくとも一部を、前記不透明な遮光要素で遮断するステップであって、前記光ビームの前記一部が、前記光ビームの前記光路に沿った、前記結合面の一部に到達するのを阻止する、ステップ、及び
前記結合インタフェースから反射された光の第１の部分を、前記不透明な遮光要素で遮断するステップであって、前記第１の部分が検出器に到達するのを阻止する、ステップ
の少なくとも一方のステップと、
前記結合インタフェースから反射された光の第２の部分を、前記検出器に到達させるステップと、
前記第２の部分を、前記検出器の最低次モードに対応する位置において、前記最低次モードの最大可能有効結合長の７倍以下、又は７ｍｍのいずれか短い方で検出するステップと、
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの遮光要素が、前記プリズムの縁の３０ｍｍ以内に位置して成ることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記導波路が、屈折率が減少する深い領域を更に有し、該深い領域が、前記導波路の表面から、少なくとも１７０λ／ｎの深さまで浸透し、正規化された傾き
【数１】
0006603671.tif 000012
を有して成る、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記深い領域の深さが、少なくとも２００λ／ｎであり、前記少なくとも１つの遮光要素が、前記プリズムの複数の縁から少なくとも３０ｍｍの距離に位置し、照明された相互作用長、又は前記最低次モードと最高次モードとの間の検出された相互作用長に、実質的な差をもたらすことを特徴とする、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記遮光要素が、前記プリズムの各々の縁から１００ｍｍ以内に位置して成ることを特徴とする、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記遮光要素が透過率を有し、該透過率が、前記接触平面からの距離の可変関数であって、前記接触平面からの距離が増加するにつれて、前記透過率が増加し、前記可変透過率を有する前記遮光要素が円形開口ではないことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項７】
距離の可変関数である前記透過率を有する前記遮光要素が、前記プリズムの１つの側の前記光路に配置され、空間的に変化しない透過率を有する長方形の遮光要素が、前記プリズムの対向する側の前記光路に配置されて成ることを特徴とする、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記遮光要素が、空間的に変化する吸収を有する平板であることを特徴とする、請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記遮光要素が、本質的に不透明な材料から成ることを特徴とする、請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の側から、前記プリズム−サンプル間結合平面までの、開放空間の変化が、Ｖ字型の切欠きによって達成され、該Ｖ字型の切欠きが約３０度〜約５０度の角度γを成すことを特徴とする、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連技術の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１４年４月２３日出願の、米国仮特許出願第６１／９８３，１５１号の米国特許法第１１９条に基づく優先権を主張するものであって、その内容に依拠し、参照により、全内容が本明細書に組み込まれたものとする。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、応力のプリズム結合測定に関し、具体的には、応力のプリズム結合測定におけるコントラストの向上方法に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
プリズム結合による非破壊応力測定が、携帯電子機器用の化学強化カバーガラスの製造における品質管理にとって非常に重要である。
【０００４】
一部の二重イオン交換ガラス等の、一部の化学強化ガラスは、表面近傍に屈折率が急激に減少する、急峻な領域を有する屈折率プロファイルによって特徴付けられる。かかる屈折率プロファイルは、プリズム中を伝播する光と、イオン交換の結果生じた、ガラス基板の導波路領域中を伝播する光との、過度の結合に起因する結合共鳴の顕著な広がりのために、業界標準のＦＳＭ−６０００の確立されたプリズム結合技術を使用した応力測定にとって問題である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最近、この問題を軽減するための様々な技術が発明されている。1つの方法において、結合強度を制御するために、低屈折率層が用いられている。この方法では、鮮明で高コントラスト線のスペクトルを得ることができるが、ガラスと測定プリズムとを近接させる必要があるため（通常、＜１μｍ）、接触面の清浄度がより厳しくなるという不都合がある。別の方法は、高屈折率油（＞１．７）を用いて、屈折率のコントラストを増大させ、結合共鳴を狭めると共に、プリズムの直近にディフューザーを挿入して、照明の角度分布を更に平坦にして、背景照明における強度変動に対する、広がった共鳴の位置検出の高い感度に対抗している。これ等の後者の方法は、（サブミクロンの厚さの油層を必要とせず、プリズム−サンプル間インタフェースにおける微粒子の防止を必要としない）、便利な高屈折率油の測定範囲の拡大に役立っているが、かかる測定の精度は、中程度の勾配
【０００６】
【数１】
0006603671.tif 000002
【０００７】
を有する従来のＧｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラスの測定値と比較すると、多くの場合劣っている、ここで、λは波長、ｎは屈折率、ｚは深度座標である。例えば、実質的にかなり急峻なプロファイルは、表面圧縮応力（ＣＳ）の標準偏差が、実質的に２０より大きく、更には５０ＭＰａであり、これが高収率の品質管理を得る上において問題である。比較において、標準のＧｏｒｉｌｌａガラスは、かなりの頻度で、ＣＳの標準偏差が５ＭＰａ未満で測定される。従って、深さに従って屈折率が急激に減少する浅い領域を含むプロファイルの測定精度を向上させる別の方法が、化学強化されたガラスの高収率を達成すると共に、望ましい設計条件に最も近い動作を可能にする上において、非常に価値がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
当技術分野で公知の方法を適用した後の、測定された圧縮応力の残留標準偏差が、コーニング社が製造する、コーンニングＧｏｒｉｌｌａガラス等のイオン交換アルカリアルミノシリケートガラスの測定値と比較して大きくなるのは、主に急峻な高屈折率領域に限定される、低次モードの結合共鳴フリンジ（スペクトル線）の限定されたコントラストによるものである。不十分なコントラストによって、比較的幅が広い結合共鳴の検出が、雑音の影響を受けやすくなる。加えて、これ等の結合共鳴の広く低コントラストのスペクトル線は、詳細な説明において説明するように、しばしば歪の対象になる。スペクトル線の形状は、油の厚さ及び楔角度に依存し得るため、これ等の影響によって、サンプルの測定における標準偏差が大きくなると共に、検出は検出器雑音にも敏感である。結合インタフェースの照明、及び結合インタフェースから反射される光に対し、特定の慎重に管理された制限を適用することによって、問題の結合共鳴のコントラストの実質的な改善、及びこれ等の共鳴のスペクトル線の歪みの実質的な削減が可能になり、実質的により正確なＣＳの測定値が得られる。本明細書に記載の方法は、強結合モードのフリンジのコントラストを増大させ、従ってより正確な測定値を可能にするものである。
【０００９】
別の態様において、光の伝播方向に沿った強度の実質的な縦断勾配が、プリズム−サンプル間インタフェースに導入される。本発明者等は、プリズム−サンプル間インタフェースの強度が、比較的均一な場合と比較して、かかる勾配を導入したとき、結合共鳴のコントラストの改善及びＣＳの標準偏差の縮小を得た。勾配の値は、結合光と戻り結合光との実質的な正のバランスを維持するのに役立つ値であり、暗い結合光フリンジに沿った、戻り結合光の明るいフリンジの形成が実質的に軽減される。
【００１０】
従って、本開示の１つの態様は、導波モードスペクトルのプリズム結合測定において、コントラストを改善する方法及び装置を提供することであって、被測定導波路サンプルが、正規化された勾配
【００１１】
【数２】
0006603671.tif 000003
【００１２】
を特徴とする、屈折率が急激に低下する表面領域を有している。不透明な遮光要素が、プリズムの入射側、出射側、又は両側の、プリズムと被測定サンプルとの間の接触平面に最も近い光ビームの部分に挿入される。遮光要素は、光源からの光が、光路に沿ったプリズム−サンプル間結合インタフェースの長さの一部に到達するのを阻止、前述の長さの一部から反射された光が検出器に到達するのを阻止、又は入射及び出射遮光要素が使用された場合には、その両方を阻止する。光が最低次モードに対応する、検出器の位置に到達することができる照射された長さの部分が、最低次モードの最大可能有効結合長の７倍及び７ｍｍのうちの短い方を超えない。
【００１３】
本開示の別の態様は、導波モードスペクトルのプリズム結合測定において、コントラストを改善する方法及び装置を提供することであって、被測定導波路サンプルが、正規化された勾配|λ／ｎ  ｄｎ／dz|＞０．００４を特徴とする、屈折率が急激に低下する表面領域を有している。遮光要素が、プリズムの入射側、出射側、又は入射側及び出射側の両方の、プリズムと被測定サンプルとの間の接触平面に最も近い光ビームの部分に挿入される。遮光要素は、光源からの光が、光路に沿ったプリズム−サンプル間結合インタフェースの長さの一部に到達するのを阻止、前述の長さの一部から反射された光が検出器に到達するのを阻止、又は入射及び出射遮光要素が使用された場合には、その両方を阻止する。遮光要素の少なくとも１つが、プリズム−サンプル間結合平面からの距離が増加するにつれて増加する、プリズム−サンプル間結合平面からの距離の関数としての可変透過率を有している。可変透過率の遮光要素は非円形開口である。
【００１４】
本開示の別の態様は、導波モードスペクトルのプリズム結合測定において、コントラストを改善する方法及び装置を提供することである。本方法は、入射面及び出射面を有するプリズムの結合面と導波路サンプルの表面との間に、結合インタフェースを形成するステップと、光源から発する光ビームの経路の一部に、不透明な遮光要素を配置するステップであって、経路の一部が、結合面と導波路サンプルとの間の接触平面に最も近い部分である、ステップとを備え、不透明な遮光要素が、入射面及び出射面の少なくとも一方に配置される。導波路サンプルは、表面から導波路サンプルの内部及びプリズムに延びる、正規化された勾配|λ／ｎ  ｄｎ／dz|＞０．００４で、屈折率が減少する表面領域を有している。不透明な遮光要素は、光ビームの少なくとも一部が、光ビームの経路に沿った、プリズム−サンプル間結合インタフェースの一部に到達するのを阻止、プリズム−サンプル間結合インタフェースから反射された光の第１の部分が検出器に到達するのを阻止、及びプリズム−サンプル間結合インタフェースから反射された光の第２の部分を検出器に到達させる。第２の部分は、検出器の最低次モードに対応する位置に到達し、且つ最低次モードの最大可能有効結合長の７倍及び７ｍｍのうちの短い方を超えない。
【００１５】
別の態様において、導波モードスペクトルのプリズム結合測定において、コントラストを改善する方法が提供される。本方法は、プリズムの結合面と導波路サンプルの表面との間に、結合インタフェースを形成するステップであって、導波路サンプルが、表面から導波路サンプルの内部、並びに入射面及び出射面を有するプリズムに延びる、正規化された勾配|λ／ｎ  ｄｎ／dz|＞０．００４で、屈折率が減少する表面領域を有する、ステップと、入射面及び出射面の少なくとも一方の、光源から発する光ビームの経路の一部に、不透明な遮光要素を配置するステップであって、経路の一部が、結合面と導波路サンプルとの間の接触平面に最も近い部分である、ステップと、を備えている。不透明な遮光要素は、プリズム−サンプル間結合インタフェースから反射された光の第１の部分が、検出器に到達するのを阻止し、プリズム−サンプル間結合インタフェースから反射された光の第２の部分を、検出器の最低次モードに対応する位置に到達させ、且つ最低次モードの最大可能有効結合長の７倍及び７ｍｍのうちの短い方を超えない。
【００１６】
これ等及び他の態様、効果、及び顕著な特徴は、以下の詳細な説明、添付図面、及び添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】例示的なプリズムカップリングシステムの概略図。
【図２】図１のプリズムカップリングシステムの、光検出器システムの概略拡大図。
【図３】厚さｄ１及び屈折率ｎｆを有する、インタフェース流体を用いて、イオン交換基板とインタフェースした例示的な結合プリズムの概略拡大図。
【図４】Δｎ≒０．０１５及び層深さ（ＤＯＬ）が、写真ａ、ｂ、ｃ、及びｄにおいて、それぞれ２１、１４、１０、及び８．２μｍである、イオン交換領域のモード結合スペクトルを示す図。
【図５】特定の平面波から被測定基板の導波路に結合した、結合プリズムと被測定基板との間の結合インタフェースに沿った光の、２つの電界振幅の分布を示す図。
【図６】ｘに沿った、比較的均一な導波モードフィールド振幅を有する部分の長さを低減する一方、プリズムからの光の結合に起因する、ｘに沿った、導波路内のフィールドの振幅が急成長する部分を保持する、入射ビームの上部に挿入された遮光体を示す図。
【図７】入射ビームに挿入された可変減衰器を示す図。
【図８Ａ】図７の構成に使用することができる、空間可変減衰器の例を示す図。
【図８Ｂ】図７の構成に使用することができる、空間可変減衰器の例を示す図。
【図９Ａ】遮光せずに測定した、二重イオン交換導波路のＴＭモードスペクトルを示す図。
【図９Ｂ】プリズムの中心から、プリズムの入射側及びプリズムの出射側に配置された遮光体を用いて測定した、二重イオン交換導波路のＴＭモードスペクトルを示す図。
【図１０】どのようにプリズムから相当距離、遮光体を離間して配置すれば、測定された実効屈折率範囲の両端間の有効相互作用長の差を得ることができるかを示す図。
【図１１】図９Ａ及び９Ｂの二重イオン交換サンプルの、低次モードのコントラストの同時改善、及びすべてのモードの検出能力が維持されることを示す写真。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の説明において、同様の参照符号は、図面に示された幾つかの図を通して、同様又は対応する部品を表わしている。また、別に明記しない限り、「上部」、「下部」、「外部」、「内部」等の用語は、便宜上の言葉であり、限定用語として解釈されるものではない。加えて、要素及びこれ等の要素群の少なくとも１つを含むというように、群が記述されているときにはいつでも、当該の群が、個別に又は互いに組み合わされて、これ等列挙された要素の任意の数を含む、実質的に成る、又は成ると解釈されたい。同様に、要素及びこれ等の要素の群の少なくとも１つから成るというように、群が記述されているときにはいつでも、当該の群が、個別に又は互いに組み合わされて、これ等列挙された要素の任意の数から成ることができる。別に明記しない限り、値の範囲は、列挙されたとき、当該範囲の上限及び下限、並びにその間の任意の範囲を含む。本明細書において、冠詞「ａ」、「ａｎ」、及び対応する定冠詞「ｔｈｅ」は、別に明記しない限り、「少なくとも１つ」又は「１つ以上」を意味する。更に、本明細書及び図面に開示されている様々な特徴は、任意に組み合わせて使用することができる。
【００１９】
本明細書において、「ガラス製品」及び「ガラス製品類」という用語は、最も広い意味で使用され、完全に又は部分的にガラスで作製された物体を意味する。別に明記しない限り、すべての組成は、モルパーセント（モル％）で示してある。
【００２０】
圧縮応力及び層深さは、当技術分野で公知の手段を用いて測定される。かかる手段には、これに限定されないが、株式会社ルケオ（日本国、東京）が製造するＦＳＭ−６０００等、市販の機器を用いた表面応力の測定が含まれ、圧縮応力及び層深さの測定方法は、「Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ  Ｆｌａｔ  Ｇｌａｓｓ」と題する、ＡＳＴＭ１４２２Ｃ−９９、及び「Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｎｏｎ−Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  Ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｅｄｇｅ  ａｎｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｔｒｅｓｓ  ｉｎ  Ａｎｎｅａｌｅｄ，Ｈｅａｔ−Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ，ａｎｄ  Ｆｕｌｌｙ−Ｔｅｍｐｅｒｅｄ  Ｆｌａｔ  Ｇｌａｓｓ」と題する、ＡＳＴＭ１２７９．１９７７９に記載されており、引用によりこれ等の全内容が本明細書にそのまま組み込まれたものとする。表面応力の測定は、ガラスの複屈折に関連する応力光学係数（ＳＯＣ）の正確な測定に依存している。次に、ＳＯＣは、引用により、全内容が本明細書にそのまま組み込まれたものとする、いずれも「Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｇｌａｓｓ  Ｓｔｒｅｓｓ−Ｏｐｔｃｉａｌ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ」と題する、ＡＳＴＭ標準Ｃ７７０−９８（２００８）に記載の、ファイバー及び４点曲げ法、並びにバルクシリンダー法等、当技術分野で公知の方法によって測定される。
【００２１】
図面全体及び特に図１を参照すると、説明図は特定の実施の形態を説明するためのものであって、本開示及びそれに添付された特許請求の範囲の限定を意図するものではないことが理解されるであろう。図面は必ずしも縮尺通りではなく、図面の特定の特徴及び特定の図の縮尺が誇張してあるか、又は明瞭さ及び簡潔さのために、模式的に示してある場合がある。
【００２２】
図１は、急峻で浅い表面近傍領域Ｒ１を含む、本明細書に記載のイオン交換基板２０のＴＥ及びＴＭモードスペクトルの測定に適した、例示的なプリズム結合システム（「システム」）１０の概略図である。１例において、イオン交換基板２０は、ニューヨーク州コーニングのコーニング社が製造する、Ｇｏｒｉｌｌａガラス等の化学強化ガラスで構成されている。
【００２３】
システム１０は、基板２０を保持するように構成された、基板ホルダー３０を備えている。しかし、別の実施の形態は、基板ホルダー３０を必要としない。システム１０は、入射面４２、結合面４４、及び出射面４６を有する、結合プリズム４０も備えている。結合プリズム４０は、屈折率ｎｐ＞ｎｓを有している。結合プリズム４０は、結合プリズムの結合面４４と基板の上面２２とを光学的に接触させ、インタフェース流体５２を含む基板−プリズム間インタフェース（「インタフェース」）５０を画成することによって、基板２０にインタフェースしている。結合プリズム４０が、イオン交換基板２０に、どのようにインタフェースしているかについての詳細は後で説明する。
【００２４】
例示的な実施の形態において、結合プリズム４０は、説明のために図１に示す三角断面形状の代わりに、台形、湾曲、又は他の断面形状を有している。本明細書において、「湾曲」とは、入射面４２及び／又は出射面４６が、円筒形又は球形面等に、湾曲していてもよいことを意味する。
【００２５】
引き続き図１において、システム１０は、それぞれが結合プリズム４０の入射面４２及び出射面４６を通過し、プリズム／空気インタフェースにおける屈折を経て、インタフェース５０において一般に合流する光軸Ａ１及びＡ２を有している。システム１０は、軸Ａ１に沿って順に、以下に説明する、波長λの測定光６２を発する光源６０、別の方法として、軸Ａ２上の検出経路に含めることができる任意の光学フィルター６６、散乱光６２Ｓを形成する任意の光散乱要素７０、及び集束（測定）光６２Ｆを形成する任意の集光光学系８０を備えている。従って、システム１０の例において、光源６０とプリズムの入射面４２との間に光学要素は存在していない。
【００２６】
システム１０は、更に、結合プリズム４０から軸Ａ２に沿って順に、焦点面９２及び焦点距離ｆを有し、以下に説明するように反射光６２Ｒを受光する収集光学系９０、ＴＭ／ＴＥ偏光子１００、及び光検出器システム１３０を備えている。軸Ａ１は光源６０と結合プリズムの結合面４４と間の光路ＯＰ１の中心を規定する。軸Ａ２は結合面４４と光検出器システム１３０との間の光路ＯＰ２の中心を規定する。軸Ａ１及びＡ２は、屈折によって、それぞれ入射及び出射面において、曲がってもよいことに留意されたい。また、光路ＯＰ１及び／又はＯＰ２にミラーを挿入することによって、小光路に分割されてもよい。
【００２７】
１つの例において、光検出器システム１３０は、検出器（カメラ）１１０及びフレーム取込み器１２０を備えている。以下に説明する別の実施の形態において、光検出器システム１３０は、ＣＭＯＳ又はＣＣＤカメラを備えている。図２は、光検出器システム１３０のＴＭ／ＴＥ偏光子、及び検出器１１０の拡大立面図である。光検出器システム１３０は感光面１１２を有している。感光面１１２は、軸Ａ２に対して略垂直に、収集光学系９０の焦点面９２に配置されている。このことが、結合プリズムの出射面４６を出射する、反射光６２Ｒの角度分布を、カメラ１１０のセンサー面において、横方向の光の空間分布に変換するのに役立つ。例示的な実施の形態において、感光面１１２は画素を有している、即ち、検出器１１０はデジタル検出器、例えば、デジタルカメラである。
【００２８】
感光面１１２をＴＥセクション１１２ＴＥ、及びＴＭセクション１１２ＴＭに分割することによって、反射光６２ＲのＴＥ及びＴＭ偏光に関する角度反射スペクトル（モードスペクトル）のデジタル画像の同時記録が可能になる。この同時検出によって、システムパラメータが時間と共にドリフトし得ることを考慮すると、ＴＥ及びＴＭの測定を異なる時間に実施したとすれば発生し得る測定雑音源が排除される。
【００２９】
例示的な光源６０には、レーザー、発光ダイオード、及び熱フィラメントランプや石英ランプ等の広帯域源がある。光源６０によって生成される光６２の例示的な動作波長λには、近紫外、可視、及び赤外波長が含まれる。
【００３０】
システム１０は、システムの動作を制御するように構成された、コントローラ１５０を備えている。コントローラ１５０は、更に、捕捉したＴＥ及びＴＭモードスペクトル画像を表す画像信号ＳＩを、光検出器システム１３０から受信し、処理するように構成されている。コントローラ１５０は、プロセッサ１５２及びメモリユニット（「メモリ」）１５４を備えている。コントローラ１５０は、光源制御信号ＳＬを介して、光源６０の起動及び動作を制御することができると共に、光検出器システム１３０（例えば、図示のフレーム取込み器１２０）から画像信号ＳＩを受信し処理する。
【００３１】
１つの例において、コントローラ１５０はコンピュータを含み、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、 ＤＶＤ、ＭＯＤ、フラッシュドライブ等のコンピュータ可読媒体、又はネットワークやインターネット等のその他のデジタル源から、命令及び／又はデータを読み取るための「フロッピー」ディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤドライブ、光磁気ディスク（ＭＯＤ）ドライブ(図示せず)等の読取装置、又はイーサネット（登録商標）装置(図示せず)等のネットワーク接続装置を含む、その他のデジタル装置を備えている。コントローラ１５０は、本明細書に開示した表面複屈折／応力測定を実行するための信号処理命令を含む、ファームウェアに記憶された命令、及び／又はソフトウェア(図示せず)を実行するように構成されている。実施例において、「コントローラ」と「コンピュータ」という用語は互換可能である。
【００３２】
コントローラ１５０は、本明細書に記載の機能を果たすようにプログラムすることができる。これには、システム１０の動作、及び応力プロファイルＳ（ｘ）、複屈折、又は圧縮応力ＣＳ等、基板２０の応力特性の測定結果を得るための、前述の画像信号ＳＩの信号処理が含まれる。本明細書において「コンピュータ」という用語は、単に当技術分野においてコンピュータと呼ばれる集積回路のみならず、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ、特定用途向け集積回路、及びその他のプログラム可能な回路を広く意味し、これ等の用語は本明細書において同義的に使用される。
【００３３】
ソフトウェアは、前記信号処理を含む、本明細書に開示したシステム１０の動作性能を実行又は補助することができる。ソフトウェアは、コントローラ１５０、特にプロセッサ１５２及びメモリ１５４に動作可能にインストールすることができる。ソフトウェアの機能は、実行可能なコードを含む、プログラミングに関与することができ、かかる機能を利用して、本明細書に開示した方法を実行することができる。かかるソフトウェアコードは、汎用コンピュータ、又は以下に説明するプロセッサユニットで実行することができる。
【００３４】
動作中、コード及び、場合により、関連するデータレコードが汎用コンピュータのプラットフォームのプロセッサ１５２及び／又はメモリ１５４に記憶される。しかし、他の時点においては、ソフトウェアは、他の場所に記憶及び／又は適切な汎用コンピュータシステムに移送してロードすることができる。従って、本明細書において説明する実施の形態は、少なくとも１つの機械可読媒体に担持された、１つ又は複数のコードモジュールの形態を成す１つ以又は複数のソフトウェア製品を含んでいる。かかるコードをコンピュータシステム１５０のプロセッサ１５２、又はプロセッサユニットによって実行することにより、プラットフォームが、基本的に本明細書において説明及び例示する方法で、カタログ及び／又はソフトウェアダウンロード機能を実行することができる。
【００３５】
コントローラ１５０及び／又はプロセッサ１５２は、各々コンピュータ可読媒体又は機械可読媒体（例えば、メモリ１５４）を用いることができる。このような媒体は、例えば、基体２０の表面の複屈折／応力量、又は応力プロファイルＳ（ｘ）を決定することを含む命令を、プロセッサに供給して実行させることに関与する任意の媒体を意味する。メモリ１５４はコンピュータ可読媒体を構成する。かかる媒体は不揮発性媒体、揮発性媒体、及び伝送媒体を含みこれに限定されない、多くの形態を成すことができる。不揮発性媒体には、例えば、前述のサーバプラットフォームの１つとして動作する、任意のコンピュータの任意の記憶装置等の、光又は磁気ディスクが含まれる。揮発性媒体には、かかるコンピュータプラットフォームの主記憶装置等の動的メモリが含まれる。物理的な伝送媒体には、コンピュータシステム内においてバスを構成する線を含む、同軸ケーブル、銅線、及び光ファイバーが含まれる。
【００３６】
従って、コンピュータ可読媒体の一般的な形態には、例えば、「フロッピー」ディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、フラッシュドライブ、及びその他の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、及びその他の光媒体、パンチカード、紙テープ、及び穴パターンを有するその他の物理媒体等のあまり一般的ではない媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、及び他の任意のメモリチップ若しくはカートリッジ、データ若しくは命令を運ぶ搬送波、このような搬送波を運ぶケーブル若しくはリンク、又はコンピュータがプログラミングコード及び／若しくはデータを読み取ることができるその他の媒体が含まれる。コンピュータ可読媒体のかかる形態の多くは、１つ以上の命令の１つ以上のシーケンスを、プロセッサ１５２に運んで実行させることに関与することができる。
【００３７】
１つの例において、コントローラ１５０は、測定したモードスペクトルに基づいて、イオン交換基板２０の、少なくとも１つの特性を決定するようにプログラムされている。例示的な特性には、表面応力、応力プロファイル、圧縮応力、層深さ、屈折率プロファイル、及び複屈折が含まれる。１つの例において、コントローラ１５０は、Ａ．Ｂｒａｎｄｅｎｂｕｒｇによる、論文「Ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ Ｉｏｎ-Ｅｘｃｈａｎｇｅｄ Ｇｌａｓｓ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ．ＬＴ−４、Ｎｏ．１０、Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９８６、ｐｐ．１５８０−９３に開示されている計算を実行するようにプログラムされている。
【００３８】
システム１０は、日本の東京に所在する折原製作所（株）が製造販売している、ＦＳＭ−６０００プリズム結合装置等の、市販のプリズム結合装置の改良型であってよい。ＦＳＭ−６０００装置は、イオン交換板ガラスの、高スループットの応力非破壊測定における最新の技術を代表するものであって、５８９ｎｍにおけるプリズム屈折率ｎｐ＝１．７２の結合プリズム４０を使用する。ＦＳＭ−６０００は、屈折率ｎｆ＝１．６４の屈折率整合流体を使用する。ＦＳＭ装置において、表面応力（ＣＳ）は、最初の２つの横磁界（ＴＭ）モードと最初の２つの横電界（ＴＥ）モードの実効屈折率ｎｅｆｆから算出される一方、層深さ（ＤＯＬ）は、線形屈折率プロファイルの仮定に基づいて、基板の屈折率及び前述の２つのモードの実効屈折率と共に、観察したモードの総数を用いて算出される。
【００３９】
図３は、インタフェース流体５２を用いて、イオン交換基板２０にインタフェースした、結合プリズム４０の拡大断面図である。結合角θ、出射角β２、及び面法線Ｎと共に、結合プリズム角αが示されている。インタフェース流体５２は、厚さｄ１及び前述の流体屈折率ｎｆを有している。例示的なインタフェース流体の種類は、屈折率整合油等の油である。
【００４０】
インタフェース流体５２は、それ自体が屈折率整合層としてではなく、「ポテンシャル障壁」として使用されるもので、そのパラメータを用いて、結合プリズム４０と基板２０との間における、測定光６２Ｆの結合強度を制御することができる。このようにして、単位伝播長当たりの跳ね返り数が多いにもかかわらず、表面近傍モードに結合した測定光６２Ｆ強度を、伝播距離と共にゆっくり減衰させることができる。これによって、屈折率整合流体を使用したときより、狭く且つ深い（従って鮮明な）結合共鳴が可能になる。そのために、測定するモードの屈折率より高い屈折率の油を選択する代わりに、測定するモードの屈折率より低い屈折率を有する、即ち、ｎｆ＜ｎｅｆｆである、インタフェース流体５２が選択される。
【００４１】
１つの例示的な実施の形態において、インタフェース流体５２の厚さｄ１を、少なくとも過結合を阻止する閾値厚さｄ１ＴＨと同じにすることによって、厚さｄ１に対するモード複屈折Ｂｍの高感度に起因して生じ得る誤差を抑制している。
【００４２】
システム１０、光検出器システム１１０、及び結合プリズムについては、２０１３年１０月３０日に、Ｒｏｓｔｉｓｌａｖ Ｖａｔｃｈｅｖ Ｒｏｕｓｓｅｖ他によって出願された「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｍｏｄｅ  Ｓｐｅｃｔｒａ  ｆｏｒ  Ｉｏｎ−Ｅｘｃｈａｎｇｅｄ  Ｇｌａｓｓｅｓ  Ｈａｖｉｎｇ  Ｓｔｅｅｐ  Ｉｎｄｅｘ  Ｒｅｇｉｏｎ」と題する、米国仮特許出願公開第６１／８９７，５４６号明細書、及び２０１３年７月３１日に、Ｒｏｓｔｉｓｌａｖ Ｖａｔｃｈｅｖ Ｒｏｕｓｓｅｖ他によって出願された「Ｐｒｉｓｍ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｗｉｔｈ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｍｏｄｅ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  Ｃｏｎｔｒａｓｔ  ｆｏｒ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｉｏｎ−Ｅｘｃｈａｎｇｅｄ  Ｇｌａｓｓ」と題する、米国仮特許出願公開第６１／８６０，５６０号明細書に記載されており、参照により、これらの出願の内容が、そのまま本明細書に組み込まれたものとする。
【００４３】
図４は、Δｎ≒０．１５、及び写真ａ、ｂ、ｃ、及びｄにおける層深さ（ＤＯＬ）が、それぞれ２１、１４、１０、及び８．２μｍである、イオン交換領域のモード結合スペクトルを示す図である。屈折率プロファイルの正規化された勾配
【００４４】
【数３】
0006603671.tif 000004
【００４５】
が、それぞれ、約−０．０００３、−０．０００４、−０．０００６、及び−０．０００７である。図４は、結合共鳴のコントラスト（図中の暗い縞）がどのように大きく悪化しているかを示していると共に、
【００４６】
【数４】
0006603671.tif 000005
【００４７】
により、幅が大きく増大していることを示している。この影響によって、画像雑音の存在下で、浅い急峻な領域のモードを自動捕捉することが困難になっている。加えて、モードがうまく捕捉された場合、測定された応力は大きな標準偏差に支配され、これによって正確な工程及び品質管理が必要になり問題である。
【００４８】
モード結合が強い場合、結合スペクトルのコントラストは貧弱になる。本発明者等は、屈折率が急激に変化する浅い領域を有する、導波路の低次の強く結合したモードの貧弱なコントラストが、雑音の存在下で応力を測定するとき、大きな標準偏差につながることに気付いた。このことは、特に、まずＮaをＫにイオン交換して化学強化し、次にガラスの表面近傍領域が生じる第２のイオン交換を通して、抗微生物効果を得る二重イオン交換部分について言える。Ｋに富んだ塩中における短いイオン交換によって、表面から約５μｍの深さまで、Ｋ２Ｏの濃度が＞５モル％減少する浅い領域が形成された場合（図４のｃ、ｄ）も同じ問題が見られる。この問題は、ＮａＮＯ３及びＫＮＯ３の両方を含み、ＮａＮＯ３の濃度が＞２０重量％である溶液槽における、第１のイオン交換によって、比較的小さな勾配で深いプロファイルが生成され、ＮａＮＯ３の含有量が少ない（＜２重量％）溶液槽における、第２のイオン交換によって、最初の５マイクロメートルにおいて、Ｋ２Ｏの濃度が約５モル％を超えて低下する、浅い領域が表面近傍に形成された二重イオン交換プロファイルの測定において同様に生じる。
【００４９】
１つの例において、本開示は、応力の測定に用いられる、ＦＳＭ６０００等のプリズム結合システムを使用した測定に関連している。このシステムにおいて、プリズムが１．７２の屈折率を有し、被測定ガラス基板が約１．５の屈折率を有し、プリズムとサンプル表面との中間の屈折率を有する液体（油）を用いて、プリズムと基板との間に光を通過させることによって結合させた。別の例において、プリズムと基板との間の液体は、基板の屈折率より低い屈折率を有することができるが、浅く急峻な領域に限定される低次モードの結合が、導波路の深い領域に広がる高次モードの結合より依然として大幅に強く、低次モードの測定精度の低下につながる。
【００５０】
低次モードの貧弱なコントラストは、２つの主な要因に起因している。１つは、低次モードの強い結合が、結合強度と共鳴幅との関係を通して、結合共鳴の広がりをもたらす。この広がりは、例えば、プリズムとサンプルとの結合を可能にするために用いられる屈折率油との屈折率差を大きくして、結合強度を低下させることによって、減少させることができる。例えば、油の屈折率を通常使用されている値である１．６４から、プリズムの屈折率に等しい値である１．７２に増大させることによって、共鳴を狭くして、コントラストを改善するのに役立つ。基板とプリズムとの間の低屈折率領域を使用することによっても、結合強度を制御することができる。この方法は、結合共鳴の幅をより実質的に低減することができるが、この場合でも、プロファイルの深い領域の高次モードを適切に結合させるために、結合を強化する必要ある場合等、低次モードが広がる場合がある。それ故、この場合でも、コントラストを更に高めるための更なる方法に価値がある。
【００５１】
コントラストを低下させることが分かっている第２のメカニズムは、イオン交換領域の導波モードに結合する光と、これ等の導波モードのプリズムに戻り結合する光とのバランスである。特に、プリズム−サンプル間インタフェースからの反射の角度スペクトルについて、暗線の測定を行う場合、測定は、導波モードに結合した光は反射スペクトルには存在しないということを拠り所にしており、対応する結合角度に暗線が生じる。特定の導波モードの光がプリズムに戻り結合すれば、当該モードの結合角度に対応する、検出器の暗線の位置の強度が増加し、その結果、当該モードの共鳴のコントラストが低下する。
【００５２】
図５は、結合プリズムと被測定基板との結合インタフェースに沿った、特定の平面波から基板の導波路に結合した光の、２つの代表的な電界振幅の分布を示す図である。距離ｘ０は、その間を通して振幅が実質的に増加する、伝播方向ｘに沿った距離を示している。プリズムの結合面の照明が比較的均一の場合、距離ｘ０は、プリズムに強く結合しているモードの最大結合長に略等しい。電界分布がｘに沿って平坦又は減少している導波路の部分が、暗いスペクトル線のコントラストの低下の一因になっている。
【００５３】
ｘを光源側から検出器側に向かう、プリズム−基板間インタフェースに沿った方向とする（図５）。照明の特定の角度をプリズム側から見て、当該角度の照明波によってもたらされるプリズム接触面の電界振幅が、プリズム−基板間インタフェースに沿って均一であれば、より多くの光が導波路に結合するため、導波路に結合する光の振幅Ａ（ｘ）はｘに沿って大きくなる。導波路中の光の量がｘと共に増加するにつれて、光がプリズムに戻り結合し始め、導波路中の光の振幅の増加率が小さくなる。結合が強い場合、導波モードにおける光の振幅の飽和が、導波路−プリズム間インタフェースの入力端と出力端の間の、どこかの位置ｘ０で飽和する条件が得られる。導波路に沿ったモードフィールドの振幅が一定であるｘ＞ｘ０の導波路部分については、プリズムから導波路に結合する光の量と同様の光の量が導波路からプリズムに戻り結合するため、プリズムから導波路への正味の結合量は約０である。検出器におけるスペクトル画像において、ｘ＞ｘ０の位置から反射された光は、有用な信号には寄与しないが、明らかに照明背景を高めるため、コントラストの低下につながる。プリズムの出射面近傍の導波路部分では、ｘの増加と共にモードフィールの振幅が小さくなる。この部分は、導波路からプリズムに結合する光の量がその反対より多いため、コントラストに対し更に悪影響を及ぼし、当該モードの暗線に対応する、特定の出射角における輝度の上昇に寄与し、隣接する角度の背景に対して測定されるモード線のコントラストが著しく低下する。
【００５４】
これ等の影響を打ち消すために、本開示は３種類の解決策を提供する。１つの実施の形態において、照明の開始をプリズムの末端にシフトする遮光体、又は開口部を挿入して、ｘ＞ｘ０の一定振幅領域の割合を小さすることによって、コントラストに対する悪影響を低減している。図６は、プリズムからの光の結合によって、急激に大きくなる振幅を有する導波路フィールドのｘに沿った部分を保持する一方、ｘに沿って比較的均一な導波モードフィールド振幅を有する部分の長さを短縮するのに使用できる、入射ビームの上部に挿入された遮光体を示している。出射ビームの上部に挿入された第２の遮光体は、比較的平坦又は減少する振幅を有するｘに沿った導波路部分から結合を外れた光を遮断する。いずれの遮光体も、ｘに沿った導波モードにおける、振幅（又は強度）が平坦又は減少する部分に起因する、コントラストの損失を軽減するように機能する。図６は、かかる場合の電界振幅Ａ（ｘ）の例示的な分布も含んでおり、一定振幅領域が大幅に削減されていることを示している。この解決策は、プリズム−サンプル間インタフェースに対する、ｘに沿った光ビームが遮断された部分の割合だけ、有効ビーム開口の減少につながるため、高次モードの狭いスペクトル線の一部を広げるという負の副作用を有している場合もあり得る。場合により、低次導波モードに関連する、角度スペクトルの一部の強度が、対応する高次モードの部分と比較して、はるかに大きく低下するため、別の負の副作用も発生し得る。これが、導波モードに対応する暗線が対比して検出される強度背景の勾配が、角度の関数として、大きく変化することにつながり得る。次に、これによって、モードに対応する強度最小位置が僅かにシフトするため、測定値に多少の誤差が生じ得る。この影響は、遠方の光源の高さを調整して、反対方向の光源の角度勾配を利用することによって軽減することができる。
【００５５】
別の実施の形態において、解決策は、ｘに沿った、モードフィールド振幅が減少する領域、及び必要に応じて、ｘに沿った、モードフィールド振幅が略平坦な領域からの光を遮断する、遮光体を出射ビームに挿入する（図６にも示す）ことを含んでいる。事実、入射ビームに挿入される遮光体、及び出射ビームに挿入される別の遮光体の組み合わせによって、強結合モードにおける、モードコントラスト低下の影響を軽減するための最大限の柔軟性を得ることができる。
【００５６】
１つの例において、抗微生物Ｇｏｒｉｌｌａガラスについて、遮光体を光ビームの入射側及び出射側に挿入することによって、大幅なコントラストの改善、及び表面圧縮応力（ＣＳ）の測定において、標準偏差が＞５０ＭＰａから＜１０ＭＰａに減少することが観察された。遮光体は垂直であり、プリズムの各々の側において、プリズムの中心から、約１２ｍｍの距離に対称に配置され、遮光体の下端が、プリズム−サンプル間結合インタフェース平面の５ｍｍ下に位置している。遮光体の５ｍｍの深さより、上の入射及び出射ビームの部分が完全に遮断された。別の例において、上端部１０マクロメートル内に、Ｋ濃度が急激に低下する領域を有するＧｏｒｉｌｌａガラスサンプルについて、遮光体の下端が、プリズム−サンプル間結合インタフェース平面の４ｍｍ下に位置するように、遮光体をプリズムの各々の側の同じ位置に対称に配置することによって、ＣＳの標準偏差が５〜１５ＭＰａの範囲に縮小した。遮光体の底部より上の入射及び出射ビーム部分が、完全に遮断された。いずれの例においても、遮光体は、厚さが１００μｍ〜２００μｍの黒い粘着テープの不透明な長方形として実施した。
【００５７】
更に別の実施の形態において、入射ビームに挿入された可変減衰器を示す図７に示すように、解決策は、ｘに沿ったプリズム底部の照明に勾配を導入することを含んでいる。ビームの上端に向けて減衰を大きくすることにより、減衰器を使用して、ｘに沿った導波モードの振幅が一定又は減少する領域を縮小して、ｘに沿った導波モードの振幅が増大する領域を延伸することができ、ｘに沿った振幅が一定又は減少する領域による、コントラストの低下の影響の軽減に役立つ。特に、暗線をより良く検出するために、プリズム底部の場の強さがｘに沿って増加する、正の照明勾配を提案する。この場合、導波路内の場の振幅が増大する領域が、ｘ軸に沿って検出器側のプリズム出射面に向けて延伸される。このｘ軸に沿った、振幅Ａ（ｘ）の連続増加が、一定振幅領域が通常寄与すると思われる、背景を増大させる影響の低減に役立つ。図７の例において、プリズム−サンプル間インタフェースに近い側の高減衰から、結合インタフェースに対向するプリズムの縁に近い底部側の低減衰に至る減衰勾配を有する減衰器を、供給側に挿入することによって、このことが達成される。
【００５８】
勾配減衰器を検出器側に挿入することによって、同様の効果を得ることができる。この場合、導波路内の場の振幅の分布は、略一定振幅の長い領域を有する図５のものと同様になる。しかし高減衰側が結合インタフェースに近くなるように、勾配減衰器を調整することができ、一定振幅及び振幅が減少する領域からの光を、強く減衰させることによって、信号を貧弱にする背景を低減している。同時に、高コントラストを有する領域ｘ＜ｘ０からの光に対しては減衰を弱くする。
【００５９】
前述の３つの実施の形態を任意に組み合わせることによって、コントラストを高める別の実施の形態が生成される。例えば、空間可変減衰器は、光を完全に遮断する上端部（暗い側）の一部を占めることができ、それによって一体化された可変減衰器／遮光体が構成され、それを入射側、出射側、又は両側に配置することができる。
【００６０】
図８Ａ及び８Ｂは、図７の構成に使用することができる、空間可変減衰器の２つの実施の形態を示す図である。図８Ａは、前述の勾配減衰器を示す図であって、減衰係数が下から上に向かって増加する。勾配減衰器は、底部近傍の低散乱／吸収から上端部近傍の高散乱／吸収における、散乱及び吸収の変化が僅かである、部分的に透明な基板又はフィルムであって、上端部近傍で透過率を大幅に低下させるものである。図８Ｂは、高さ方向に沿って垂直座標を有し、幅が変化する中央開口部を通して、底部近傍でより多くの光を通過させ、上端部近傍でより少ない光を通過させる形状を有する遮光体を示す図である。図８Ｂは、上端部近傍において、より小さな遮光体開口部分を有することによって、プリズム／光ビームの幅にわたって平均化された同様の効果を達成するものである。角度γを使用して、プリズム−基板間インタフェースに沿った、照明分布の勾配を制御することができ、その結果、導波路に沿った、モードフィールド振幅の分布の勾配を制御することができる。
【００６１】
角度γは、ｘに沿った強度の変化率を制御する。溶融ＫＮＯ３液浴槽において、第１のイオン交換が行われ、第２のイオン交換が、０．６重量％までのＡｇＮＯ３を含む、溶融ＫＮＯ３液浴槽において行われた、二重イオン交換サンプルのコントラスト及び表面圧縮測定における標準偏差の改善が見極められた。角度γを約３０、４０、及び５０度とし、入射ビームの上端部２〜３ｍｍを、プリズムの中心から１２ｍｍ前の位置において完全に遮断することによって、コントラストの大幅な改善が得られた。これ等の中で、角度を約４０度としたとき、最良の性能が観察された。ｘに沿った照明強度の最適変化率は、通常、自動測定が最も難しい、最低次モードの結合強度に依存し得る。
【００６２】
距離ｘ０を実効有用相互作用長Ｌｅｆｆと呼ぶことができ、均一照明の場合はｌｍに等しく、ｌｍは外光が導波路に結合しない領域における、結合又はその他の損失によって、光の場のモードｍがｅ倍だけ減少する導波路に沿った長さである。図４に示す例において、プリズム長が２５ｍｍ、図４の例ｃ及びｄのモードの有用相互作用長が３ｍｍ未満であって、貧弱なコントラストの原因となっていた。抗微生物ガラスの例において、低次モードが１．６ｍｍ未満、ある場合には１ｍｍ未満の有用相互作用長を有し、プリズム長が１２ｍｍであった。遮光体の挿入によって、信号が収集される長さが約７ｍｍに縮小された。一般に、ｘに沿った、モード振幅が増加する領域からの光が収集され、ｘに沿った、モード振幅が減少する領域からの光が、検出器側の遮光体によって実質的に退けられ、カメラによって、信号が収集される長さが７Ｌｅｆｆに縮小されると、コントラストの大幅な改善が観察される。遮光体は、遮光体の組み合わせによって、５Ｌｅｆｆ未満に縮小された、プリズム−サンプル間インタフェースの、照明された部分からの信号の収集を保証することが好ましい。
【００６３】
従来技術のシステムは、一般に、検出器側に開口を含んでいるが、概して、１０ｍｍを越える長さからの信号を受け入れる。更に、従来技術のシステムは、機器の上面から約０．５ｍｍ上昇したプリズム結合面を有している。システムの部分によって、光ビームの上端からの小部分を遮断することができ、これは、システムが使用される角度スペクトルの部分に応じて僅かに変化し得る。概して、従来技術のシステムは、プリズム長の大部分から光を収集するように設計されており、実際の従来技術の例において、１２ｍｍ又は２５ｍｍであり得る。本明細書に記載の装置及び方法において、遮光体によって、カメラの中の信号が、８ｍｍを超えない照明された長さから収集されることが保証され、照明された長さが約５ｍｍ未満に縮小されたとき、より良い結果が得られる。
【００６４】
図９Ａは、遮光せずに測定した、二重イオン交換導波路のＴＭモードスペクトルを示す図であるのに対し、下側の画像は、４．５ｍｍの遮光体をプリズムの中心から１２ｍｍのプリズムの入射側配置し、３ｍｍの遮光体を、やはりプリズムの中心から１２ｍｍのプリズムの出射側に配置して測定した、二重イオン交換導波路のＴＭモードスペクトルを示している。プロファイルの浅い急峻な領域に限定される、低次モードのコントラストの僅かな改善（図９Ａ及び９Ｂの左端のフリンジ）によって、表面応力測定値の標準偏差を大幅に減少させることができる。同時に、上側の画像から下側の画像に対し、検出可能なフリンジ無しに、明るいフリンジパターンから暗い領域への移行の位置の変化によって示されるように、遮光によってスペクトル右端の２つのフリンジが失われている。
【００６５】
図９Ａ及び９Ｂは、浅く急峻な領域と、屈折率がゆっくり減少する、非常に深い領域の両方を有するプロファイルの、低次モードのコントラストを改善するために、遮光体を使用した場合の問題を示している。比較的プリズムの近く（本例では、プリズムの中心から１２ｍｍ、及び最も近いプリズムの縁から６ｍｍ）に遮光体を配置すると、遮光体によって、すべてのモードの実効相互作用長が略同量だけ縮小され、主にプロファイルの非常に深い領域を伝播する高次モードの、通常は非常に狭いフリンジが広げられる。この広がりが、間隔が最も狭い一部のスペクトル線の融合（図９Ｂの失われた右端のフリンジ）につながる可能性があり、これ等のスペクトル線は、自動画像処理ソフトウェアで検出することができない。
【００６６】
関連する実施の形態において、測定されるモードの実効屈折率によって変化する、測定の有効な相互作用長を可能にするために、遮光体とプリズムとの間に、比較的大きな距離が取られる。対応するプリズム出射角β２と共、どのように遮光体ＬＢをプリズムからかなりの距離ΔＬ離して配置すれば、測定された実効屈折率範囲Δｎｅｆｆの両端間の有効相互作用長における差Δｘを得ることができるかを示す略図を図１０に示す。本例において、遮光体は、プリズムの出射側の検出器のアームに配置されている。特に、急激に低下する屈折率
【００６７】
【数５】
0006603671.tif 000006
【００６８】
を有する表面近傍の急峻で浅い領域に続づいて、屈折率が緩やかに低下する深い領域（表面から＞２００λ／ｎ浸透し、正規化された傾き
【００６９】
【数６】
0006603671.tif 000007
【００７０】
を有する）を有する屈折率プロファイルは、浅く急峻な領域に限定される低次モードのコントラストを改善するための遮光体を必要とする。同時に、屈折率が緩やかに低下する領域の深部を伝播する、密な間隔の高次モードを解像するためには、かなりの相互作用長が必要である。
【００７１】
１つの非限定的な例において、スペクトルのモードの実効屈折率に対応する、プリズム出射面の法線に対して測定された光線の出射角β２は、１ラジアンよりかなり小さく、導波モードの実効屈折率の全スペクトルに対応する、出射角の範囲はΔβ２である。本例において、プリズムの最も近い縁からΔＬの距離に配置される適切な高さＨの遮光体によって、最低次モードと最高次モードとの間の有効相互作用長の差Δｘを、以下のように与えることができる。
【００７２】
【数７】
0006603671.tif 000008
【００７３】
例えば、屈折率１．７２及び底角α＋６０°のプリズム、最大屈折率１．５０５及び最小屈折率１．４９２の二重イオン交換領域は、Δβ２≒２０ラジアン及びαと比較して無視できるβ２を有し、以下のようになる。
【００７４】
【数８】
0006603671.tif 000009
【００７５】
前記の式によって、実効屈折率スペクトルの幅にわたる有効結合長の差を制御する手段が与えられ、ＣＳ測定値の精度と、高次モードが解像できないことによる、ＤＯＬ測定値の系統誤差とのトレードオフの必要性が緩和される。
【００７６】
低次モードのコントラストの改善、及び図９Ａ、９Ｂの二重イオン交換サンプルのすべてのモードの検出能力の保持の同時達成を図１１に示す。図１１の上の画像は、遮光せずに取得したＴＭモードスペクトルを示している。図１１の下の画像は、近傍のプリズムの縁から距離ΔＬ＝８２に配置した、プリズム水平結合面から測定した全高さ（図１０の略図参照）が約４６ｍｍの遮光体ＬＢを用いて捕捉したＴＭモードスペクトルを示している。離隔配置した遮光体によって、最高次モードの結合共鳴（図１１の右端のフリンジ）を広げることなく、低次モードのコントラストが向上した。
【００７７】
高さ４６ｍｍの遮光体をプリズムの縁から８０ｍｍの距離に配置することによって、ＤＯＬの精度を失うことなく（図１１の下の画像）コントラストの改善が達成される。遮光体の高さは、最も低い実効屈折率に対応する、光線の出射角度を計算することによって計算され、次にプリズムの形状を考慮して、以下のようになる。
【００７８】
【数９】
0006603671.tif 000010
【００７９】
ここで、ｎｓｕｂは基板の屈折率であって、ここでは、全モードスペクトルの最も低い実効屈折率を略表わすように選択される。照明の均一性と最低次モードのコントラストとの間の最良のバランスを得るために、遮光体の位置及び／又は高さは、配置時、微調整する必要がある。
【００８０】
例示を目的として、代表的な実施の形態について説明してきたが、前述の説明は、本開示又は添付の特許請求の範囲に対する限定と見なされるべきではない。従って、本開示又は添付の特許請求の範囲の精神及び範囲を逸脱せずに、当業者には様々な修正、改作、および代替案が思い付かれるであろう。
【００８１】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００８２】
実施形態１
導波モードスペクトルを測定する方法であって、
プリズムの結合面と導波路サンプルの表面との間に、結合インタフェースを形成するステップであって、前記導波路サンプルが、正規化された勾配|λ／ｎ  ｄｎ／dz|＞０．０００４で、屈折率が減少する表面領域を有し、該表面領域が、表面から前記導波路サンプルの内部に延び、前記プリズムが、入射面及び出射面を有する、ステップと、
前記入射面および前記出射面の少なくとも一方の、光源から発する光ビームの経路の一部に、不透明な遮光要素を配置するステップであって、前記一部が、前記結合面と前記導波路サンプルとの間の接触平面に最も近い部分である、ステップと、
前記光ビームの少なくとも一部を、前記不透明な遮光要素で遮断するステップであって、前記光ビームの前記一部が、前記光ビームの前記光路に沿った、前記結合面の一部に到達するのを阻止する、ステップ、及び
前記結合インタフェースから反射された光の第１の部分を、前記不透明な遮光要素で遮断するステップであって、前記第１の部分が検出器に到達するのを阻止する、ステップ
の少なくとも一方のステップと、
前記結合インタフェースから反射された光の第２の部分を、前記検出器に到達させるステップと、
前記第２の部分を、前記検出器の最低次モードに対応する位置において、前記最低次モードの最大可能有効結合長の７倍以下、又は７ｍｍのいずれか短い方で検出するステップと、
を備えた、方法。
【００８３】
実施形態２
前記最低次モードに対応する前記位置が、前記最大可能有効結合長の５倍以下である、実施形態１記載の方法。
【００８４】
実施形態３
前記少なくとも１つの遮光要素が、前記プリズムの縁の３０ｍｍ以内に位置して成る、実施形態２記載の方法。
【００８５】
実施形態４
前記少なくとも１つの遮光要素が、前記プリズムの縁の７ｍｍ以内に位置して成る、実施形態２記載の方法。
【００８６】
実施形態５
前記導波路サンプルが、屈折率が減少する深い領域を更に有し、該深い領域が、前記導波路の表面から、少なくとも１７０λ／ｎの深さまで浸透し、正規化された傾き
【００８７】
【数１０】
0006603671.tif 000011
【００８８】
を有して成る、実施形態２記載の方法。
【００８９】
実施形態６
前記深い領域の深さが、少なくとも２００λ／ｎである、実施形態５記載の方法。
【００９０】
実施形態７
前記少なくとも１つの遮光要素が、前記プリズムの複数の縁から少なくとも３０ｍｍの距離に位置し、照明された相互作用長、又は前記最低次モードと最高次モードとの間の検出された相互作用長に実質的な差をもたらす、実施形態６記載の方法。
【００９１】
実施形態８
前記遮光要素が、前記プリズムの各々の縁から１００ｍｍ以内に位置して成る、実施形態７記載の方法。
【００９２】
実施形態９
導波モードスペクトルを測定する方法であって、
プリズムの結合面と導波路の表面との間に、結合インタフェースを形成するステップであって、前記導波路が、正規化された勾配|λ／ｎ  ｄｎ／dz|＞０．０００４で、屈折率が減少する表面領域を有し、該表面領域が表面から前記導波路サンプルの内部に延び、前記プリズムが入射面及び出射面を有する、ステップと、
前記入射面および前記出射面の少なくとも一方の、光源から発する光ビームの経路の一部に、不透明な遮光要素を配置するステップであって、前記一部が、前記結合面と前記導波路サンプルとの間の接触平面に最も近い部分であり、前記遮光要素が透過率を有し、該透過率が、前記接触平面からの距離の可変関数であって、前記接触平面からの距離が増加するにつれて、前記透過率が増加し、前記可変透過率を有する前記遮光要素が、円形開口ではない、ステップと、
前記光ビームの少なくとも一部を、前記不透明な遮光要素で遮断するステップであって、前記光ビームの前記一部が、前記光ビームの前記光路に沿った、前記結合面の一部に到達するのを阻止する、ステップ、及び
前記結合インタフェースから反射された光の第１の部分を、前記不透明な遮光要素で遮断するステップであって、前記第１の部分が検出器に到達するのを阻止する、ステップ
の少なくとも一方のステップと、
前記結合インタフェースから反射された光の第２の部分を、前記検出器に到達させるステップと、
前記第２の部分を、前記検出器の最低次モードに対応する位置において、前記最低次モードの最大可能有効結合長の７倍以下、又は７ｍｍのいずれか短い方で検出するステップと、
を備えた、方法。
【００９３】
実施形態１０
前記遮光要素が、空間的に変化する吸収を有する平板である、実施形態９記載の方法。
【００９４】
実施形態１１
前記遮光要素が、前記プリズム−サンプル間結合平面から遠位にある、第１の側により多くの開放空間を備えた形状を有して成る、実施形態９記載の方法。
【００９５】
実施形態１２
前記遮光要素が、本質的に不透明な材料から成る、実施形態１１記載の方法。
【００９６】
実施形態１３
前記第１の側から、前記プリズム−サンプル間結合平面までの、前記開放空間の変化が、Ｖ字型の切欠きによって達成される、実施形態１１記載の方法。
【００９７】
実施形態１４
前記Ｖ字型の切欠きが、約３０度〜約５０度の角度γを成す、実施形態１３記載の方法。
【００９８】
実施形態１５
前記遮光要素が、前記プリズムの少なくとも１つの縁から、１００ｍｍ以内に配置されて成る、実施形態９記載の方法。
【００９９】
実施形態１６
前記遮光要素が、前記プリズムの少なくとも１つの縁から、１０ｍｍ以内に配置されて成る、実施形態９記載の方法。
【０１００】
実施形態１７
前記プリズムの入力側及び出力側の両方に遮光要素が配置されて成る、実施形態９記載の方法。
【０１０１】
実施形態１８
距離の可変関数である前記透過率を有する前記遮光要素が、前記プリズムの１つの側の前記光路に配置され、空間的に変化しない透過率を有する長方形の遮光要素が、前記プリズムの対向する側の前記光路に配置されて成る、実施形態９記載の方法。
【符号の説明】
【０１０２】
１０    プリズム結合システム
２０    イオン交換基板
３０    基板ホルダー
４０    結合プリズム
４２    入射面
４４    結合面
４６    出射面
５０    基板−プリズム間インタフェース
５２    インタフェース流体
６０    光源
６６    光学フィルター
７０    光学散乱要素
８０    集光光学系
９０    収集光学系
１００  ＴＭ／ＴＥ偏光子
１１０  検出器
１２０  フレーム取込み器
１５０  コントローラ
１５２  プロセッサ
１５４  メモリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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