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1、光学方向综合考试试卷含答案（光学方向综合考试试卷含答案（A A 卷）卷）一、填空题（共 15 分，每空 1 分）1、LED 的自发性的发光是由（电子）和（空穴）复合而产生的；2、获得白光 LED 的两个途径：（荧光粉转换白光 LED）和（多芯片混合发出白光）；3、常规照明灯具的布置可分为（单侧布置）、（双侧交错布置）、（双侧对称布置）、（中心对称布置）和（横向悬索布置）等五种基本方式；4、光是电磁波的一种,人的肉眼能见到的光的范围是（380）nm 到（760）nm.5、LED 的英文全名（light emitting diode）6、大功率 LED 光源散热基板包括（金属基散热）与（陶瓷散热基
2、板）两种7、不为专门目的设计的灯具称为（通用）灯具。二、选择题（共 15 分，每题 3 分）1、二次光学设计目前主要分为（A）、（B）以及（C）等几种方式A、散射式 B、聚光式 C、两者混合式 D、全反射式2、灯具出口平均亮度20103cd/m2，直接眩光限制等级为级，直接开敞型灯具的最小遮光角应为（A）。A.10 B.15 C.20 D.253、GBJ1331990民用建筑照明设计标准规定，直接眩光限制质量等级可按眩光程度分为（B）。A.二级 B.三级 C.四级 D.五级4、GB 500341992工业企业照明设计标准中，工作场所作业面上的照度标准值按（B）确定。A.工作要求 B.视觉作业特
3、性及分级 C.甲方要求 D.视觉作业特性。9、相同发光效率的白炽灯和 LED 灯,在点亮的情况下,LED 灯要比白炽灯节能(D )A:30%B:50%C:70%D:80%10、LED 作为汽车的刹车灯是因为(C )A:体积小 B:色彩鲜艳 C:反应速度快 D:省电11、以下哪种不是发光二极管的优点(B )A:体积小 B:色彩丰富 C:节能 D:单颗亮度高三、判断题（共 10 分，每题 1 分）1、眼睛肿的杆状细胞不能区别颜色；（）2、人们工作状态不受照明条件的影响；（）3、玻璃是一种在凝固时基本不结晶的无机熔融物；（）4、目前大功率LED 多采用表贴（SMT）的封装结构；（）5、N 型半导体则
4、是掺杂了施主杂质的半导体材料；（）6、LED用的都是间接帯隙材料；（）7、添加反光杯能从根本上解决折射式LED聚光效率低的问题；（）8、色温越偏蓝，色温越高（冷），偏红则色温越低（暖）；（）9、在CIE图中，x代表蓝色，y代表绿色，z代表红色，且xyz1。（）10、1W的LED称之为中功率LED，大于3W的称之为大功率LED。（）四、简答题（共 20 分，每题 5 分）1、光学晶体的光学特性；答：（1）均匀性：晶体的不同部位，其内部质点的性质和排列方式是相同的，表现出的物理和化学性质也是完全相同的；（2）各向异性：晶体的光学性质，往往随光束方向的不同而不同；（3）对称性：相同的性质在晶体的不同
5、方向或位置上有规律的重复出现；（4）自范性：晶体具有自发的形成封闭几何多面体外形的性质；（5）最小内能性：晶体的内能最小，表明了晶体质点相互位置的准确和稳定。（6）稳定性：晶体随时间变化，性能稳定。2、为达到蝙蝠翼配光的理想效果，通常采用的三种方法；答：第一类方法是将每一单颗LED 配以二次光学透镜来达到蝙蝠翼形配光，然后将多颗LED均匀排布在一个平面上，由于LED 的尺寸相对于路灯8-10m 左右的安装高度来说，可以简化为电光源，因而采用多颗LED 平面排列的路灯配光与单颗LED 的配光基本一致；第二类方法是将所有LED 分为几个模块，每一模块倾斜一定的角度，通过多个模块的组合得到近似于蝙蝠
6、翼形配光；第三类方法是通过在每一个LED 上配以二次光学透镜或反光杯，得到较窄光束的配光，然后再将多颗LED 排布在一个三维曲面上，组合形成一个整体的蝙蝠翼形配光。3、实用的 LED 汽车信号灯设计步骤。答：（1）确定信号灯的工作参数，这些参数通常由汽车生产商提供，且随车型不同而变化。主要的参数包括灯具的工作温度和储藏温度，光度学测试条件，设计工作电压及工作电压范围等。（2）确定所使用的LED 的光度学和电学特性，如中心光强，光通量，工作电流，电压等。（3）使用CAD 技术进行灯具的光学设计，估算灯具系统的光通量损失。（4）进行灯具的热学设计，估算信号灯总的热阻值。（5）由信号灯总的热阻值估算
7、出每个LED 的最大正向直流电流和允许的最高环境温度。（6）估算出信号灯所需的LED 的数目。（7）得出驱动电路的拓扑图，即只有线路结构而无各元器件具体数值的初步线路图。该线路拓扑图包括LED 的串并联连接方式、限流方式、异常状态保护、调光装置等。（8）进行灯具的电气设计，确定最终的电路图和各元件的数值。（9）进行灯具的机械设计（10）制作灯具的原型样品，进行电学、光度学的测试，根据测试结果对设计进行优化，最终完成灯具设计。4、简述 LED 光源的发光原理答：给发光二极管加正向电场时（P 极加正电压，N 极加负电压），则从P 区注入N 区的空穴与从 N 区注入 P 区的电子，在 PN 结附近分
8、别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合，产生自发辐射发光。不同的半导体材料的禁带宽度不同，电子和空穴所处的能量状态不同，其电子和空穴复合时释放出的光子的能量大小就不同，释放出的光子能量越大，则发光的波长就越短。波长处于可见光范围的能被人眼所感知。五、计算题（共 10 分，每题 5 分）1、用 100 根价值 180 元的 18W LED 灯管来替换 100 根价格为 20 元的 45W 普通日光灯，计算大概多久能收回成本？假设电费 1 元/度，传统日光灯寿命为 3000H，LED 灯按 50000H。另外：除去其他费用。解：45W荧 光 灯 管 换18WLED,按20小 时 照 明 算：(18
9、0*100-20*100)/(45W*20H*100/1000-18*20*100/1000)=296 天。2、如果一光线以 30o的角度从折射率为 1.532 的介质中射入折射率为 1.254 的介质中，求其折射角。如果要发生全反射，光线至少要以多少度的角入射？解：根据折射定律：n1sin1 n2sin2可知，2 arcsinn1sin1 arcsin0.61 37.650；n2n2sin900如果要发生全反射，则其临界角为1 arcsin arcsin0.82 54.940。n1六、论述题（共 30 分，每题 10 分）1、LED 应用于道路照明的优势和难点答：1）光效高、能耗低：LED
10、照明产品崛起的重要原因之一，就是LED 的光效已经超过大部分传统光源。并且绝对有可能在不久的将来明显高于所有的传统光源。LED 的光效理论计算可以达到270-290lm/w 或者更高，这是目前传统光源无法比拟的。2）瞬时启动：LED 的响应时间只有几十纳秒，启动时间短，并且通电即可正常工作，同时也不存在再次启动的等待时间。3）寿命长：寿命的长短将直接影响整个道路照明的维护成本。LED 在保证一定的工作电流和散热条件下，一般寿命可以达到50000-70000h，其在寿命上的优势是任何传统光源无法相比的。4）显色性好：LED 对颜色的呈现更真实、更能够反映出物体本身的颜色。一般LED 的显色指数可
11、以达到80 左右，基本接近自然光。5）便于光学设计：与其他传统光源相比，各式LED 的体积都很小，而且半平面定向发光。非常适合于采用透镜或反光杯进行光学设计。而光源体积越小，其光学设计越简单。设计合理的LED 透镜或反光杯，不仅可以得到理想的配光，减少杂散光，而且可以拥有较高的灯具效率。6）便于调光控制：LED 灯具可实现0-100%连续调光，可根据环境光照及交通状况灵活调整光输出，在保证照明质量的同时降低不必要的功耗。7）结构牢固：LED 是环氧树脂、硅树脂等封装的半导体发光的固体光源，其结构中不包含玻璃、灯丝等易损坏的部件，是一种实心的全固体结构，因此能够经受得住震动、冲击而不致引起损坏，
12、特别适合在道路、隧道和汽车照明中的应用。8）总成本：目前LED 灯具的成本相比传统光源较高，但是其高光效、长寿命等特点显著地减少了其灯具的维护成本，而随着LED 初始成本的进一步降低，其在总成本上的优势也将进一步明显。9）中间视觉效应：LED 应用于道路照明的另一个优势在于其光谱的可塑性，白光LED 的光谱变化的范围大，在同一个LED 路灯中也可以组合不同光谱的LED 模块，这样就可以根据研究成果设计制定最有利于道路照明应用的光谱组成，以最大程度地促进道路照明的节能、安全和舒适。10）其他：LED 废弃后，其废弃物几乎可以全部回收利用，这不仅节约了资源，还保护了环境。LED 的驱动电源大多为恒
13、流驱动电源。它的能耗几乎不随电源电压变化此外，LED 光源工作电流大小可以控制，等等。2、热压成型的工艺过程答：（1）下料：下料就是把达到毛坯物理和光学性能要求的玻璃块，按照光学零件的不同尺寸，通过重量公差计算与控制，切割成毛坯制造所需的料块。经检验交下道工序滚磨。（2）滚磨：滚磨是为除去小料块表面的锐棱尖角和上道工序留下的裂痕等，使料块控制在规定重量范围内，以提高毛坯质量。（3）压型：压型是把玻璃加热软化，用一定形状的模具压制成型，得到所需形状的毛坯。它是热压成型工艺的关键工序，直接影响毛坯的质量和生产效率。（4）退火：退火是为消除内应力和改善玻璃光学不均匀性，及微量调整光学常数。它是保证毛
14、坯质量的主要工序之一。（5）检验：检验室按照毛坯技术要求，将退火过的毛坯进行形状、尺寸及表面疵病的检查。检验是保证毛坯质量的最后一道工序。3、光学塑料的分类、基本性能、优缺点以及常见的光学塑料答：1、根据材料受热后性能的变化，光学塑料可分为热塑性光学塑料和热固性光学塑料两大类。2、光学塑料的基本性能（1）光学常数光学塑料的光学常数与光学玻璃的光学常数的区别主要是两方面，一是光学塑料的光学常数的变化范围常常比玻璃要小很多，而且一般折射率都比较低。光学塑料与光学玻璃在光学常数上的另一区别是，光学塑料的折射率在小数点后第三位不稳定，而光学玻璃的折射率在小数点后第四位才允许有差异。（2）透过率光学塑料
15、在可见光波段透过率比较高，一般都大于80%；与光学玻璃相比较，在近紫外和近红外波段光学塑料的透过率都较好。（3）密度光学塑料的密度约为（0.81.3）103kg/m，而光学玻璃的密度约为（2.36.2）103kg/m，两者一般都相差24 倍，所以是用光学塑料对减轻仪器的重量有好处。（4）耐冲击强度光学塑料能承受撞击，跌落不易破碎，例例如聚苯乙烯的耐冲击强度为2104J/，比常用的K9 玻璃高11 倍。（5）热能性光学塑料的热膨胀系数为（70100）10-6/，而光学玻璃的热膨胀系数为（510）10-6/，可见，热胀冷缩，光学塑料一般是玻璃的 10 倍，所以热稳定性差也是光学塑料应用到高精度光学
16、系统中的有一个障碍。（6）表面硬度光学塑料的表面硬度为（120190）N/mm2，而光学玻璃的表面硬度可达（37）103N/mm2，所以两者相差几十倍。3、光学塑料的主要优缺点1)适应大批量生产、成本低2)适宜非常复杂的形状3)重量轻、耐冲击4)简化了仪器的结构和装配校正工序5)提高了零件的一致性和互换性6)对温度和湿度等环境的变化敏感7)光学零件的面形难以达到高精度8)光学塑料零件存在不同程度的双折射4、常用光学塑料1)聚甲基丙烯酸钾酯（Polymethyl Methacrylate，简称PMMA）2、聚苯乙烯（Polystyrene，简称PS）3、聚碳酸酯（Polycarbonate，简称PC）4、烯丙基二甘醇碳酸酯（Allyl diglycol carbonate，简称CR-39）5、苯乙烯和丙烯酸酯的共聚物（简称NAS）6、环烯烃共聚物（简称COC）