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1、半导体职业资格考试光学方向笔试复习半导体职业资格考试光学方向笔试复习一、基础理论知识一、基础理论知识1.波长 555nm 的单色光辐射功率为 1W 时，对应辐射光通量为 683lm。2.颜色具有三个基本特性，分别为明度、色调、和饱和度。3.光强是光度学中最基本的物理量，也是国际七个基本单位之一。4.同一条车道中心线上最小亮度与最大亮度的比值为路面亮度纵向均匀度。5.发光二极管的表示的是正向电压,也就是执行 LED 亮灯测试之电流对应二极管的电压值。6.根据外界视场亮度变化，人眼视觉响应可分为三类，即明视觉，暗视觉和中间视觉。7.灯具光强度分布曲线的两种表示方法是极坐标和直角坐标。8.灯具效率是
2、指规定条件下测得灯具的光通量与光源的光通量的比值。9.通常把电磁波谱中的紫外、可见和红外三个频段的电磁波统称为光。10.光通量的单位是流明 lm；光强度的单位是坎德拉 cd；光照度的单位是勒克斯 lx；11.当电流流过 LED 器件时，PN 结的温度将上升，我们把结的温度定义为结温；其温度越高，LED 的光输出越低。12.被照表面的照度与点光源的亮度成正比，与点光源的距离平方成反比。13.若视野内有亮度极高的视觉对象或强烈的亮度对比时，产生不舒适感或视觉功能降低的现象，叫做眩光。14.LED 光源燃点至光通量降为初始值的 70%所经历的时间，称为有效寿命或经济寿命；当燃点至 50%的样品已不能
3、工作所经历的时间，称为光源的平均额定寿命。15.气体放电光源点亮时会经过辉光放电和弧光放电放电两个阶段，最终达到稳定。16.道路照明和室内照明中，肉眼感觉到的偏蓝说明色温偏高17.在照明标准中，绘图办公室桌面的照度要求是 200Lux 以上18.朗伯辐射体的特点是其在各方向的光亮度相同。19.光线进入人眼时，首先接触的是人眼的角膜。20.能感知色彩与细节的是人眼视网膜上的视锥细胞。21.下列能发出和太阳光光谱最接近的光源是白炽灯。22.透雾能力极强的光源是低压钠灯。23.在通常办公室中使用的照度通常要求 200lx 以上。24.一般灯具的保护角通常应选取 50 度。25.在美术馆、画廊中选择灯
4、具时，显色指数通常为 90。26.在人们居住的卧室中，通常为了舒适和放松起见，选择 3300K 的光源。27.CIE 1964 补充色度系统使用的三原色是 R,G,B 三原色。28.以下波长的光中哪一种是红光 710nm。29.CIE 1931 标准色度系统使用的三原色是 R,G,B 三原色。30.按外壳防护等级对灯具分类时，IP65 中的 5 是指防喷水。31.道路照明工具中截光型的配光最窄。32.发光效率通常是指灯泡的光通量和消耗的电功率的比值上。单位为 lm/W33.卤钨灯通常采用卤钨循环原理进行设计制备，在此过程中常采用的卤素为碘34.白炽灯属于热辐射光源，具有与黑体一样的光谱。其显色
5、性指数通常为 99。35.完全漫透射的光强分布服从余弦定律，空间光强分布形成一个球状。36.具有调节进入眼睛的光能量大小功能的是人眼的瞳孔。37.灯具的高反光率反射面大多是由金属铝制成。二、易混淆的概念和知识二、易混淆的概念和知识1.两个光源的相关色温完全相同，则其色坐标也必然相同。错2.若 LED 灯与荧光灯的相关色温完全相同，则其显色指数也必然相同。错3.通过增加使用芯片的数量，一定可以提高 LED 灯的光效。错4.LED 芯片的工作电流越大，其光效越高，亮度越大。错5.LED 的光效定义为，输出光通量的 F（lm）与输入的电功率的比值 P（W）。对6、在道路照明中，考虑照度的均匀性要求，
6、LED 路灯应尽量选择朗伯型配光.错7、人眼的对各种波长的光的相对敏感程度，称为视见函数，不论白天还是夜晚，视见函数的最大值均在 555nm 处。错8、LED 光学模具制作的时候，模具必须具有一定拔模斜度才能保证出模。对9、分布光度计无法测量出灯具光通量。错10、用于道路照明的光学系统，必须使用光学透镜予以实现。错11、白光 LED 的主波长和峰值波长相同。错12、光学透镜一般使用注塑成型工艺完成制作。对13、PMMA 材质比 PC 材质折射率高。错14、白光 LED 的相关色温越高，给人的感觉越暖。错15、一种光学玻璃，对不同的波长的光都有相同的折射率。错16、相同色温具有相同色坐标。错17
7、、对灯具配光曲线测试过程中，顺序为安装灯具、启动仪器、点燃灯具、仪器归零、开始测试。错18、当灯具的出射光线在被照射面上的照度满足均匀分布时，则观察到的被照面上的光亮度也满足均匀分布。错19、用 CIE1931 表述的色坐标点，是具有均匀色差的。错20、LED 远场光分布与近场光分布没有区别。错三、概念分析三、概念分析1 1、什么是眩光、不舒适眩光和失能眩光？什么是眩光、不舒适眩光和失能眩光？眩光：由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜，或存在极端的对比，以致引起不舒适的感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象。不舒适眩光：是指在视野内使人们的眼睛感觉不舒适的眩光，但并不一定降低视觉对象的可见
8、度。这种眩光也称为心理眩光。失能眩光：是在视野内使人们的视觉功能有所降低的眩光。它是一种会降低视觉对象的可见度，但并不一定产生不舒适感觉的眩光。2 2、什么是颜色匹配？若以、什么是颜色匹配？若以(C)(C)代表被匹配颜色的单位，代表被匹配颜色的单位，(R),(G),(B)(R),(G),(B)分别代分别代表产生混合色的三原色的单位，表产生混合色的三原色的单位，R,G,B,CR,G,B,C 分别代表三原色和被匹配颜色的数分别代表三原色和被匹配颜色的数量，请写出颜色匹配方程。量，请写出颜色匹配方程。把两个颜色调节到视觉上相同或相等叫做颜色匹配。颜色匹配方程CR(R)+G(G)+B(B)3 3、简述
9、照度计的工作原理和使用方法。、简述照度计的工作原理和使用方法。原理：光照射照度计表面后经过光电转化器件（如光电池、光电管）把光能直接转换成电能（光电效应），并使光线产生电位差的大小与光电池受光表面上的照度有一定的 比例关系。这时如果接上外电路，就会有电流通过，电流值从以勒克斯为刻度的表上指示出来。使用方法：1、确定测量位置打开电源；2、选择照度计测量档位；3、照度计水平放置（测试光线与照度计接受面垂直）4 4、根据反射表面的粗糙程度不同，光的反射分为哪几种，分别发生在什么样的、根据反射表面的粗糙程度不同，光的反射分为哪几种，分别发生在什么样的反射表面？反射表面？分为镜面反射和漫反射两种。镜面反
10、射发生在理想的光洁平面，漫反射发生在表面粗糙表面。5 5、什么是明视觉响应和暗视觉响应？请用图示表征明视觉函数和暗视觉函数。、什么是明视觉响应和暗视觉响应？请用图示表征明视觉函数和暗视觉函数。人眼能分辨物体的细节，也能分辨颜色，但对不同波长、不同明暗条件下对可见光的感受性不同、因此能量相同的不同色光表现出不同的明亮程度。6 6、简述、简述 LEDLED 芯片发光原理。芯片发光原理。发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片，在 p 型半导体和 n 型半导体之间有一个过渡层，称为 p-n 结。在某些半导体材料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以
11、光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。7 7、什么是三原色和三刺激值？、什么是三原色和三刺激值？所有光的颜色都可以由红、绿、蓝三种单色光混合而成，这三种光任何一种都不能由其它两种混合产生，这三种颜色为三原色。用来匹配某一特定光源所需要的红、绿、蓝三原色的量叫做该光源三刺激值。8 8、简述配光曲线的定义及表示方法。、简述配光曲线的定义及表示方法。配光曲线是指光源（或灯具）在空间各个方向的光强分布。配光曲线一般有三种表示方法：一是极坐标法，二是直角坐标法，三是等光强曲线。四、理论和实际计算四、理论和实际计算1.1.一点光源总辐射功率为一点光源总辐射功率为 100W100W，在空间中均匀发出波
12、长在空间中均匀发出波长 600nm600nm 的单色光，的单色光，已知已知视觉函数视觉函数 V(600)=0.631V(600)=0.631，求该发光体的发光强度。若将其悬挂在直径为，求该发光体的发光强度。若将其悬挂在直径为 2m2m的圆桌中心上方的圆桌中心上方 1m1m 处，求圆桌中心的光照度。处，求圆桌中心的光照度。答：根据光通量定义：683lm W Ve，带入数值得 6830.631100 43097.3lm。点光源在空间中均匀发光，各方向发光强度都应一致，根据发光强度定义公式：I，带入数值得I 43097.3lm 3429.6cd。4I cos，l2根据光照度公式：E 圆桌中心照度为E
13、 3429.6=3429.6lx。212 2、有一房间面积、有一房间面积 A A 为为 9 96=54m6=54m，房间高度为房间高度为 3.6m3.6m。已知室内顶棚反射比为已知室内顶棚反射比为 70%70%，墙面反射墙面反射比为比为 50%50%，地板反射比为，地板反射比为 20%20%，K=0.7K=0.7，拟选用，拟选用 40W40W 普通单管荧光吊普通单管荧光吊链灯具（简式荧光灯具）链灯具（简式荧光灯具），hcc=0.6mhcc=0.6m，如要求设计照度为，如要求设计照度为 100lx100lx，试确定照明灯，试确定照明灯具数量。具数量。（普通单管荧光灯具属于半直接型配光灯具，其单位
14、容量照度（普通单管荧光灯具属于半直接型配光灯具，其单位容量照度P P0 0为为0.05650.0565。）答：用单位电功率法计算。已知：h=hrc=3.6-0.6=3mRCR 5hrc(l w)50.6(9 6)4.167lw962 2又有 P=P0AE=0.056569100=305.1(W)所以灯具的数量为：N P305.1 7.6 8P40即需要选用 8 支所要求的荧光灯管。3 3、一直径为、一直径为 20mm20mm 的单面发光圆盘是朗伯光源，在与其表面法线成的单面发光圆盘是朗伯光源，在与其表面法线成 3030方向上方向上测得发光强度为测得发光强度为 1cd1cd，求在与圆盘表面法线成
15、，求在与圆盘表面法线成 6060的方向上的发光强度和光源的方向上的发光强度和光源的光亮度。的光亮度。答：发光圆盘是朗伯光源，其在各方向上的光亮度 L 是一样的，各方向上的发光强度应符合朗伯余弦定理I I0cos（1 分），将=30，I 1cd带入I0表达式，得I0=1 cos30=1.15cd。（1 分）同理I60 I0cos60=1.15cos60=0.577cd。（1 分）I0.02光亮度定义L，（1 分）将dSn104m2，I0=1.15cd带入公式dSn22得到光源光亮度为L 1.1522 3.6610 cd m（1 分）4104 4、一支发光均匀的、一支发光均匀的 32W32W 的三
16、基色荧光灯管，直径的三基色荧光灯管，直径d d=26mm=26mm，长，长l l=1.2m=1.2m，表面亮，表面亮度度B B=10402 cd/m2=10402 cd/m2，计算则该荧光灯管发出的光通量（结果取整数），计算则该荧光灯管发出的光通量（结果取整数）。答：发光均匀的光管，各个方向的光亮度 L 相同。（1 分）总光通量：L dsd S Lcosd S LcossinddLS其中，S 为灯管表面积。由已知，表面积为：S=d l=0.098m2于是，总光通量为：=3203（lm）五、五、理论与实践分析理论与实践分析1 1、列举、列举 3 3 种种 LEDLED 发出白光的方法，并对每种方
17、法的特点及优缺点进行说明。发出白光的方法，并对每种方法的特点及优缺点进行说明。(1)利用红、绿、蓝 3 种发光二极体调整其个别亮度来达到白光一般来说,红、绿、蓝的亮度比应为 3：6：1,或者只用红、绿或蓝、黄两颗 LED 调整其个别亮度来发出白光,这样的白光结构最大的优点是显色性高且理论达到的最大光效高，缺点是绿光光效低，控制系统复杂，可靠性难以保证，且成本高。(2)要发出白光还可以用蓝色 InGaN 的 LED 去激发黄色的萤光粉。这种白光的结构就是将蓝光LED与YAG萤光物质放在一起,用蓝光激发萤光物质,这样它发出的光谱就是白光。(3)用紫外光 Chip 的 LED 去激发 RGB(红、绿
18、、蓝)萤光粉来产生白光。这种方式是利用紫外光分别激发红、绿、蓝三种波长的荧光粉，混合后产生白光。该方式的优点是可以在单颗 LED 保证很高的理论光效和显色指数，；缺点是目前的紫外 LED 光效很低，难以商业化。2 2、请用流程图的形式写出经典光学系统设计的基本方法步骤。并结合、请用流程图的形式写出经典光学系统设计的基本方法步骤。并结合 LEDLED 光源光源的特性谈谈半导体照明应用产品光学系统设计的特点。的特性谈谈半导体照明应用产品光学系统设计的特点。经典光学系统设计的基本方法步骤是：设计要求设计要求(光学特性、系统质量光学特性、系统质量)寻找初始结构寻找初始结构NoNo进行优化进行优化测试能
19、否达到设计要求测试能否达到设计要求YesYes进行公差分析进行公差分析给出设计方案给出设计方案相比传统光源，LED 光源具有众多优势，较重要的有：(1)光效高：最新有能达到或超过 260lm/W；(2)节能：照明节电，光源、灯具、原材料到成品的材料加工；(3)环保无污染：无汞及其它对环境有害物质；(4)长寿命：50000 小时；(5)耐用性好：固态光源，可靠耐用；(6)无辐射：光源点亮时无红外及紫外光辐射；(7)响应快：只有几十纳秒；(8)应用广：多种光源形式；(9)绿色废弃：失效后废弃物可回收，无环境污染后患。同时LED存在一些劣势，如散热特性：LED无红外输出；电光转换效率15-25%，其
20、余全部以热形式输出，芯片结温过热会严重影响LED 光输出和寿命，针对LED的热特性，必须进行专门的散热设计。在进行半导体照明应用产品光学系统设计时光学设计必须与散热设计相结合。另外，LED 光源还有一些区别于传统光源的其他特性，这些特性使得进行 LED照明产品光学系统设计时还需要特别注意：(1)LED 芯片尺寸大多在 11mm，封装好大多10mm，为设计特殊照明系统提供了极大应用空间，也使基于 LED 光源的照明系统光学设计提供了大量的新的研究课题和研发空间。(2)单颗 LED 芯片耗电功率 1几 W 以内的范围，发出光通量 200-400lm 以内。要求我们设计 LED 照明系统时经常会使用
21、多颗甚至几十颗阵列光源形式，这是不同与使用传统光源照明系统的一个较大区别，也为照明系统光学设计提出了新的要求。3 3、说明、说明 LEDLED 作为光源的特点与优点，并结合某一特定照明应用进行分析阐述。作为光源的特点与优点，并结合某一特定照明应用进行分析阐述。(1)电压：led 使用低压电源，供电电压在 6-24v 之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。(2)效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80%(3)适用性：很小，每个单元 led 小片是 3-5mm 的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境(4)长寿命：理论寿命可达 10
22、 万小时(5)响应时间：相比白炽灯的响应时间为毫秒级，led 灯的响应时间为纳秒级(6)对环境污染：无有害金属汞(7)颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的 led，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色(8)价格：led 的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只 led 的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上 300500 只二极管构成。4 4、光线追迹分为哪两类？追迹工作原理分别是什么？各自的应用领域和特点是、光线追迹分为哪两类？追迹工作原理分别是什么？各自的应用领域和特点是什
23、么？什么？列举出两种适用于半导体照明应用产品光学设计的软件名称。列举出两种适用于半导体照明应用产品光学设计的软件名称。(1)分类：光线追迹分为序列性光线追迹和非序列性光线追迹。(2)原理：进行序列性光线追迹时光线按照设计者要求顺序的经过制定的光学面来进行光线追迹。(3)主要应用于成像领域光学设计和仿真，如照相机、显微镜、望远镜等。特点是光线追迹速度快，可以直接优化和进行公差预算。(4)特点：进行非序列性光线追迹时光线可以任意顺序通过表面，包括反射折射损耗等更细节的分析，光线追迹更接近实际情况。很多光学系统不能使用序列性光线追迹方法，如照明系统、非成像光学系统、复杂棱镜、导光管、成像系统的杂散光分析、光学机械等。非序列性光线追迹软件可以与很多机械设计包括三维机械设计软件相结合。缺点是仿真计算的速度大大减慢，且优化的能力较差。(5)软件名称：TracePro，LightTools