ЛАЗЕРНЫЙ СКАНЕР Российский патент 1995 года по МПК H01S3/18 

Изобретение относится к лазерным сканерам и может быть использовано в системах отображения на экранах коллективного пользования знаковой и графической информации в реальном масштабе времени, в составе технологического обслуживания в системах автоматизированного проектирования и изготовления двухмерных и трехмерных изделий, или в качестве диагностического и лечебного средства в составе медицинского оборудования, а также в сканирующих оптических микроскопах.

Известен лазерный сканер, содержащий блоки питания, лазерную электронно-лучевую трубку с фокусирующей отклоняющей системой и системой охлаждения подложки активного элемента трубки [1] Подложка активного элемента охлаждается жидким азотом или фреоном.

Недостатком известного сканера является неэкономичность системы охлаждения, вызванная необходимостью использования расходуемого хладоагента.

Наиболее близким из известных к предлагаемому устройству является лазерный сканер, содержащий по меньшей мере одну лазерную электронно-лучевую трубку, включающую вакуумированный корпус, активный элемент с "глухим" и выходным зеркалами, и систему охлаждения активного элемента, включающую компрессор и холодильный агент [2] Охлаждение подложки активного элемента осуществляется с помощью жидкостного контура, включающего гидронасос.

Используемая в известном устройстве система охлаждения на основе микрокриогенной машины, работающей по циклу Стирлинга, характеризуется большими габаритами и массой (около 200 кг), высоким уровнем акустических шумов, малым ресурсом таких систем (обычно не превышает 1,5 тыс.ч). Жидкостной контур, предназначенный для передачи тепловой мощности к холодной головке микрокриогенной машины, является источником больших паразитных тепловых потерь, обусловленных теплопритоками от внешней среды и гидронасоса, что существенно снижает полезную хладопроизводительность системы охлаждения. При этом теплопритоки от гидронасоса принципиально не могут быть устранены посредством использования теплоизоляции жидкостного контура, поскольку гидронасос является частью этого контура. Недостатком является также необходимость разгерметизации жидкостного контура при замене электронно-лучевой трубки в сканере.

Техническим результатом изобретения является повышение долговечности и удобства эксплуатации лазерного сканера.

Технический результат достигается тем, что в лазерном сканере, содержащем по меньшей мере одну лазерную электронно-лучевую трубку, включающую вакуумированный корпус, активный элемент с "глухим" и выходным зеркалами, и систему охлаждения активного элемента, включающую компрессор и холодильный агент, система охлаждения выполнена в виде замкнутого контура циркуляции смеси холодильных агентов, включающего последовательно соединенные компрессор и дополнительно введенные концевой холодильник и дроссельно-теплообменный блок с теплообменником-испытателем, корпус которого установлен с непосредственным тепловым контактом с участком поверхности активного элемента со стороны "глухого" зеркала, противоположным выходному зеркалу, а дроссельно-теплообменный блок снабжен теплоизолирующим кожухом.

Отличием является также то, что в корпусе трубки со стороны активного элемента выполнено углубление, в котором размещен теплообменник-испаритель.

Другое отличие состоит в том, что дроссельно-теплообменный блок снабжен рентгенозащитным экраном, размещенным в теплоизолирующем кожухе.

Технический результат достигается в большей мере, если рентгенозащитный экран и корпус теплообменника-испарителя выполнены из материала, обладающего высоким значением коэффициента ослабления рентгеновского излучения в интервале энергии 20-65 КэВ.

Наилучшие результаты достигаются, когда корпус теплообменника-испарителя выполнен из материала с высокой теплопроводностью в интервале температуры 80-300 К.

Cистема охлаждения в предлагаемом устройстве не требует разгерметизации и последующего вакуумирования контура циркуляции холодильных агентов в процессе эксплуатации, обладает существенно меньшими весом и габаритами, а также меньшим уровнем сопутствующих акустических шумов, что повышает удобство эксплуатации лазерного сканера. Герметичность контура циркуляции холодильных агентов в процессе эксплуатации в сочетании с обеспечением рентгеновской защиты дроссельно-теплообменного блока и использованием смазываемых компрессоров повышает долговечность лазерного сканера.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство с одной лазерной электронно-лучевой трубкой; на фиг. 2 структурная схема дроссельно-теплообменного блока.

Лазерный сканер содержит лазерную электронно-лучевую трубку (ЛЭЛТ), включающую вакуумированный корпус 1, активный элемент 2, состоящий из полупроводниковой пластины 3 с нанесенными на ее плоские поверхности "глухим" 4 и выходным 5 зеркалами, и закрепленной на подложке-теплоотводе 6 посредством слоя клея 7 или припоя, электронный прожектор 8, фокусирующе-отклоняющую систему 9, подключенную к выходам блока 10 питания-управления, систему 11 поддержания вакуума в корпусе 1 ЛЭЛТ, оптический блок 12 в виде проекционного объектива, систему охлаждения активного элемента 2, включающую последовательно соединенные в замкнутый контур циркуляции смеси холодильных агентов смазываемый компрессор 13, концевой холодильник 14, например, в виде конденсатора воздушного охлаждения, фильтр-осушитель 15, дроссельно-теплообменный блок 16, размещенный в теплоизолирующем кожухе 17 и теплообменник-испаритель 18, размещенный в углубленнии 19 корпуса 1 ЛЭЛТ. Через слой теплопроводящей пасты 20, например, КПТ-8, корпус 21 теплообменника-испарителя 18, находится в тепловом контакте с подложкой-теплоотводом 6 активного элемента 2.

Дроссельно-теплообменный блок 16 снабжен рентгенозащитным экраном 22, выполненным, например, из свинца и размещенным внутри теплоизолирующегно кожуха 17. Корпус 21 теплообменника 18 выполнен, например, из меди. Дроссельно-теплообменный блок 16 кроме теплообменика-испарителя 18 содержит два последовательно соединенных теплообменника 23 и 24, сепаратор фаз 25 и два дроссельных устройства 26 и 27. Сканер содержит также электронный регулятор температуры (не показан), вход которого подключен к термодатчику, выполненному, например, в виде диода или терморезистора, установленного в корпусе 21 теплообменника-испарителя 18 вблизи его контактной поверхности с подложкой-теплоотводом 6, а выход регулятора подключен к нагревателю, выполненному, например, в виде высокоомного провода, намотанного на внешнюю поверхность корпуса 21 теплообменника-испарителя 18. Контакт теплообменника-испарителя 18 с подложкой-теплоотводом 6 может осуществляться и без пасты 20. В качестве холодильных агентов используются смеси на основе углеводородов: этана, пропана, бутана и др.

Лазерный сканер работает следующим образом.

Активный элемент 2 представляет собой полупроводниковый лазер с продольной накачкой электронным пучком. Проникновение электронного пучка накачки в полупроводниковую пластину 3 и вывод лазерного излучения осуществляется через выходное зеркало 5. Управление величиной тока электронного пучка, его двумерным сканированием и фокусировкой в плоскости полупроводниковой пластины 3 осуществляется известными в технике электронно-лучевых трубок методами, например, посредством управления током электронного прожектора 8 и магнитными полями электромагнитных катушек фокусирующе-отклоняющей системы 9, подключенных к выходам блока питания-управления 10. Формируемое электронным пучком на активном элементе 2 лазерное изображение посредством оптического блока 12 проецируется с необходимым изменением масштаба на объект (экран коллективного пользования, слой фотополимера, участок живой ткани и т.п.). Необходимая для работы ЛЭЛТ степень вакуума в корпусе 1 обеспечивается системой 11 поддержания вакуума, выполненной, например, в виде пассивных геттерных элементов.

Полупроводниковая пластина 3 активного элемента 2 охлаждается до 120-170 К посредством компрессионно-дроссельной системы, работающей следующим образом.

Смесь холодильных агентов сжимается компрессором 13, проходит через концевой холодильник 14, в котором отдает в окружающую атмосферу избыточное тепло, полученное при сжатии. При этом часть высококипящих компонентов смеси конденсируется и задерживается при последующем прохождении через фильтр-осушитель 15. Смесь далее поступает в дроссельно-теплообменный блок 16, который в зависимости от требований, предъявляемых к сканеру, может выполняться в различных вариантах. Например, в дроссельно-теплообменном блоке 16 смесь холодильных агентов первоначально проходит рекуперативный теплообменник 23, где высококипящие компоненты смеси продолжают конденсироваться за счет охлаждения при теплообмене со встречным потоком, далее смесь поступает в сепаратор 25 фаз, в котором разделяется на жидкую и газообразную составляющие, при этом жидкая составляющая смеси направляется в дроссельное устройство 28 и далее в обратный поток через рекуперативный теплообменник 23. Газообразная составляющая смеси из сепаратора 25 фаз направляется через рекуперативный теплообменник 24 в дроссельное устройство 27, после дросселирования в котором приобретает температуру, необходимую для охлаждения активного элемента 2, и поступает в теплообменник-испаритель 18, где отводит тепло от активного элемента 2 и через теплообменники 24 и 23 направляется на всасывание в компрессор 13. Система охлаждения работает на смеси углеводородов, хорошо растворяющей масла компрессора 13, что является одной из причин ее высокой долговечности (ресурс 30-40 тыс.ч). Другой причиной повышения долговечности системы охлаждения является реализованная в сканере в виде корпуса 21 теплообменника-испарителя 18 и экрана 22 защита смеси холодильных агентов от сопутствующего электронной накачке рентгеновского излучения, причем корпус 21 и экран 22входят в общую систему биологической защиты сканера.

Теплоизолирующий кожух 17, выполненный из пенополиуретана или пенопласта, и вакуумированый корпус 1 трубки образуют эффективную теплоизоляцию узла состыковки теплообменника-испарителя 18 с активным элементом 2 и за счет сокращения теплопритоков от внешней среды повышает полезную хладопроизводительность системы охлаждения, которая при температуре охлаждения 135 К достигает 50-60 Вт при потреблении от сети 500 Вт. Тепло от активного элемента 2 отводится контактным способом, поэтому операция замены лазерной трубки не требует разгерметизации контура циркуляции смеси холодильных агентов, что повышает долговечность системы охлаждения и удобство эксплуатации лазерного сканера.

Использование: в системах отображения на экранах коллективного пользования знаковой и графической информации в реальном масштабе времени, в составе технологического оборудования в системах автоматизированного проектирования и изготовления двухмерных и трехмерных изделий, в качестве диагностического и лечебного средства в составе медицинского оборудования, а также в сканирующих оптических микроскопах. Сущность изобретения: в лазерном сканере, содержащем, по крайней мере, одну лазерную электронно-лучевую трубку, включающую вакуумированный корпус 1, активный элемент 2 с глухим и выходным зеркалами, и систему охлаждения активного элемента, включающую компрессор и холодильный агент, система охлаждения выполнена в виде замкнутого контура циркуляции смеси холодильных агентов, включающего последовательно соединенные компрессор 13 и дополнительно введенные концевой холодильник 14 и дроссельно-теплообменный блок 16 с теплообменником-испарителем 18, корпус которого установлен с непосредственным тепловым контактом с участком поверхности активного элемента со стороны "глухого" зеркала, при этом дроссельно-теплообменный блок 16 снабжен теплоизолирующим кожухом. 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ЛАЗЕРНЫЙ СКАНЕР, содержащий по крайней мере одну лазерную электронно-лучевую трубку, включающую вакуумированный корпус, активный элемент с глухим и выходным зеркалами, и систему охлаждения активного элемента, включающую компрессор, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде замкнутого контура циркуляции холодильного агента, включающего последовательно соединенные компрессор и дополнительно введенные концевой холодильник и дроссельно-теплообменный блок с теплообменником-испарителем, корпус которого установлен с непосредственным тепловым контактом с участком поверхности активного элемента со стороны глухого зеркала, противоположной выходному зеркалу, а дроссельно-теплообменный блок снабжен теплоизолирующим кожухом. 2. Сканер по п.1, отличающийся тем, что в корпусе трубки со стороны активного элемента выполнено углубление, в котором размещен теплообменник-испаритель. 3. Сканер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что дроссельно-теплообменный блок снабжен рентгенозащитным экраном, размещенным в теплоизолирующем кожухе. 4. Сканер по п.3, отличающийся тем, что рентгено-защитный экран и корпус теплообменника-испарителя выполнены из материала, обладающего высоким значением коэффициента ослабления рентгеновского излучения в интервале энергии 20 65 кЭв. 5. Сканер по п.3 или 4, отличающийся тем, что корпус теплообменника-испарителя выполнен из материала с высокой теплопроводностью в интервале температур 80 300 К.