機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器原理及光度測試

張憲忠　李晨貞　李　鋼（-天津內(nèi)燃機(jī)研究所天津30007-中國汽車技術(shù)研究中心）

·測控技術(shù)·

機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器原理及光度測試

張憲忠1李晨貞2李鋼1
（1-天津內(nèi)燃機(jī)研究所天津3000722-中國汽車技術(shù)研究中心）

機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器是車輛光信號(hào)裝置的重要組成部分，分析了機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器的工作原理、測試方法，并選取典型產(chǎn)品進(jìn)行了測試和試驗(yàn)驗(yàn)證，為機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)、檢測認(rèn)證提供了理論基礎(chǔ)。

回復(fù)反射觀察角發(fā)光強(qiáng)度系數(shù)（CIL）光場

引言

機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器作為保障車輛夜間行駛安全的一個(gè)重要設(shè)施，在道路車輛上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，國家標(biāo)準(zhǔn)GB 11564-2008《機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器》［1］對(duì)機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器的要求、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則等進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，同時(shí)，GB 4785-2007、GB 18100-2010等國家標(biāo)準(zhǔn)也詳細(xì)規(guī)定了機(jī)動(dòng)車輛應(yīng)該強(qiáng)制或選擇裝配的回復(fù)反射器種類。

1　機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器基本工作原理

機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器一般安裝于車輛的側(cè)面及尾部（如圖1所示），如有需要時(shí)，車輛前部也可以選擇安裝?；貜?fù)反射器本身并不能發(fā)光，其主要用途為將對(duì)方車輛的燈光逆向反射回去，從而向其他車輛駕駛員表明車輛存在及位置。

圖1　回復(fù)反射器工作原理示意圖

如圖1所示，在車輛行駛過程中，后（側(cè)）方車輛前照燈發(fā)出的光照射到前方車輛的后（側(cè)）回復(fù)反射器上，回復(fù)反射器反射回來的光沿著與入射光相鄰的方向返回，該反射光被駕駛員的眼睛接收，從而駕駛員能夠得到前方有車輛存在的信號(hào)，以便提前預(yù)防，避免車輛追尾或者相撞等交通事故的發(fā)生。

2　機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器的主要術(shù)語和定義

機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器常會(huì)涉及到如下術(shù)語和定義。

1）回復(fù)反射：光線沿著與入射光線臨近的方向反射，當(dāng)照射角在很大范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，仍能保持這一特性。

2）基準(zhǔn)軸線（NC）：由制造商規(guī)定的，在回復(fù)反射器光度測試和安裝時(shí)，作為角視場的基準(zhǔn)方向（H= 0°，V=0°）。

3）觀察角（α）：基準(zhǔn)中心到受光器的連線與基準(zhǔn)中心到光源中心的連線之間的夾角。如圖1中所示，該角度即為后車前照燈（光源中心）、前車回復(fù)反射器（基準(zhǔn)中心）、后車駕駛員眼睛（受光器）三點(diǎn)連線所組成的夾角。在GB 11564-2008中規(guī)定了兩個(gè)觀察角，0.33°和1.5°。規(guī)定兩個(gè)角度的原因在于，0.33°主要模擬小型車的實(shí)際駕駛情況，因?yàn)樾⌒蛙囌w高度偏低，駕駛員眼部與回復(fù)反射器/前照燈的高度差較小，而對(duì)于大型客車及貨車等，高度差又會(huì)變得很大，所以需要進(jìn)一步增大觀察角的度數(shù)（1.5°），來保證回復(fù)反射器的實(shí)際使用效果。

4）照射角（β）：基準(zhǔn)中心到光源中心的連線與基準(zhǔn)軸線之間的夾角。照射角的角度主要模擬行駛過程中車輛之間不同的相對(duì)位置，例如車輛前后同向行駛時(shí)，后車燈光近似直射到前車的反射器上，可以認(rèn)為此時(shí)的照射角為水平H=0°，垂直V=0°。但當(dāng)前車正在轉(zhuǎn)彎時(shí)，水平照射角度就會(huì)發(fā)生變化；前車爬坡時(shí)，垂直角度也會(huì)發(fā)生變化，因此在GB 11564-2008中規(guī)定了水平方向±20°，垂直方向±5°的變化范圍。

5）旋轉(zhuǎn)角（ε）：反射器從一定位置開始，繞其基準(zhǔn)軸線旋轉(zhuǎn)所經(jīng)過的角度。

3　回復(fù)反射原理

回復(fù)反射器由多個(gè)具有回復(fù)反射功能的光學(xué)單元組合而成，光學(xué)單元主要有兩種，微珠和立方角錐棱鏡。在車輛上應(yīng)用最多的為立方角錐棱鏡，本文的主要分析對(duì)象也為立方角錐棱鏡型。如圖2所示，回復(fù)反射器一般由光學(xué)塑料注塑而成，從垂直于反射面的角度觀察，發(fā)光面是由一個(gè)個(gè)的立方角錐棱鏡組成，每一個(gè)角錐棱鏡由三個(gè)互相垂直的面構(gòu)成凹形，將若干角錐棱鏡按照需要的形狀和尺寸組合起來就是回復(fù)反射器。

圖2　回復(fù)反射器及光學(xué)單元

當(dāng)一束光射到某個(gè)反射面上時(shí)，按照基本的光學(xué)反射原理，光束將反射到第二個(gè)面上，然后反射到第三個(gè)面，最后沿著平行于入射光的方向返回，這樣的反射成為定向反射［2］。定向反射只是一種理論的狀態(tài)，這種狀態(tài)并不能應(yīng)用于回復(fù)反射器，實(shí)際駕駛時(shí)，駕駛員的眼點(diǎn)與前照燈并不處于同一位置，如果按照定向反射理論，前照燈發(fā)出的光經(jīng)回復(fù)反射器的反射后，仍返回到前照燈附近，這樣就無法被駕駛員看到，失去了實(shí)際使用的意義。所以在設(shè)計(jì)和制造中，三個(gè)反射面并不是嚴(yán)格的90°垂直，而是稍微有一定的偏差。

理論分析和試驗(yàn)證明，當(dāng)這三個(gè)二面直角反射面有一定夾角時(shí)，反射光就會(huì)分成呈現(xiàn)如圖3所示的光場，該光場由如下光組成［3］：

1）鏡面反射光：是由反射器前表面反射的光，這部分光不是回復(fù)反射光。

2）逆向反射光：在回復(fù)反光單元中能完成三次反射的光，以一定的發(fā)散角沿原入射方向返回。它是由六倍于回復(fù)反光單元的細(xì)光束組成。由于三個(gè)反射面的平面度誤差，造成各細(xì)光束也呈發(fā)散狀光錐，隨觀測距離的增加光斑的尺寸也增大。

3）漫反射光：前表面和三個(gè)反射面均產(chǎn)生漫反射光，其中能沿入射光方向返回的也是回復(fù)反射光的組成部分。

4）衍射光：入射光在各回復(fù)反光單元相接的光縫處產(chǎn)生了衍射光，其中能在三個(gè)反射面完成三次反射的形成了6組等圓周角分布的回復(fù)反射光芒。

5）折射光：在各回復(fù)反光單元中不能完成三次反射的光和不滿足全反射條件的光所產(chǎn)生的折射光。這部分光不能形成回復(fù)反射而損失掉。

圖3　回復(fù)反射器反射光光場［4］

4　機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器性能測試

機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器性能的好壞最主要的依賴于其光度性能的指標(biāo)，根據(jù)GB 11564-2008的規(guī)定，光度性能由發(fā)光強(qiáng)度系數(shù)（CIL）值決定，即回復(fù)反射器在一定的照射角、觀察角和旋轉(zhuǎn)角的條件下，反射光發(fā)光強(qiáng)度與反射器照度的比值。

如圖4所示，將回復(fù)反射器固定在距離受光器30.48 m的測試臺(tái)架上，入射光由一個(gè)色溫為2856K的標(biāo)準(zhǔn)A光源（投光器）發(fā)出，水平入射到反射器表面上。首先調(diào)節(jié)A光源照射到反射器表面的照度值，使之等于10.76 lx，然后利用微弱光照度計(jì)（受光器）接收觀察角分別在0.33°和1.5°方向上的反射光的照度值E（lx）。

圖4　回復(fù)反射器光度測試示意圖

然后利用下述公式計(jì)算回復(fù)反射器的發(fā)光強(qiáng)度系數(shù)（CIL值）：

旋轉(zhuǎn)回復(fù)反射器，使光源從不同方向射向反射器表面，即改變照射角，測試計(jì)算不同照射角下的CIL值。

按照前述的反射原理，在回復(fù)反射光中，對(duì)光場能量分布起主要作用的是位于光場中間的六倍于回復(fù)反光單元的光斑，此處的CIL值應(yīng)為最大且成正態(tài)分布，在光斑以外，CIL值沿著6組衍射光芒遞減。我們選取了一個(gè)典型的機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，來進(jìn)一步驗(yàn)證回復(fù)反射器的反射原理，試驗(yàn)方法如下：

1）A光源以照射角H=0°V=0°入射到反射器上。

2）從試驗(yàn)設(shè)備所允許的最小觀察角（0.17°）開始，測試0.17°到2.0°觀察角范圍內(nèi)的所有測試點(diǎn)的CIL值，具體測試點(diǎn)選擇如下：

0.17°～0.45°：測試步長0.01°

0.45°～0.70°：測試步長0.02°

0.70°～1.50°：測試步長0.05°

1.50°～2.00°：測試步長0.10°

按照上述測試步長，共測試62個(gè)觀察角下的發(fā)光強(qiáng)度系數(shù)（CIL）值，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5　發(fā)光強(qiáng)度與觀察角關(guān)系示意圖

圖5中，x軸坐標(biāo)為觀察角，y軸為發(fā)光強(qiáng)度系數(shù)（CIL）值，可見，隨著觀察角的不斷增大，CIL值基本呈現(xiàn)逐級(jí)遞減的趨勢，同時(shí)，光場中部CIL值最高，向外迅速減少。由此我們可以得出結(jié)論:反射光的光強(qiáng)基本上服從正態(tài)分布規(guī)律，同時(shí)光強(qiáng)的分布情況受發(fā)散角（從立方角錐棱鏡中心對(duì)稱的兩個(gè)區(qū)域出射的兩光束的夾角）的影響，發(fā)散角越小，光能分布越集中；發(fā)散角越大，光能分布范圍越大，且中間部分光能量相對(duì)減少，四周光能量相對(duì)增加［4］。

5　結(jié)論

本文主要分析了機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器的工作原理、測試方法等，通過分析，我們可以得出影響回復(fù)反射器光度性能的原因主要有以下兩個(gè)方面：

1）生產(chǎn)工藝

回復(fù)反射器是被動(dòng)發(fā)光體，它依靠自身的結(jié)構(gòu)，將接收到的光反射回去，所以就要求其有精確的幾何精度。還要求要有較高的平面度及光潔度，因此對(duì)模具制造和生產(chǎn)過程控制要求非常嚴(yán)格。因此提高回復(fù)反射器質(zhì)量首先要提高模具水平，同時(shí)選用穩(wěn)定可靠的注塑設(shè)備和注塑工藝。

2）精密設(shè)計(jì)

回復(fù)反射器回復(fù)反射功能的實(shí)現(xiàn)依靠精確的光學(xué)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中稍有偏差就可以能導(dǎo)致反射功能的嚴(yán)重喪失，因此，應(yīng)注重設(shè)計(jì)過程中的合理性、嚴(yán)謹(jǐn)性。同時(shí)，也要針對(duì)不同法規(guī)的要求進(jìn)行區(qū)別設(shè)計(jì)，例如我國及歐盟法規(guī)要求的觀察角為0.33°和1.5°，而美國SAE標(biāo)準(zhǔn)又要求觀察角為0.22°和1.5°，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以注意。

1全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 11564-2008機(jī)動(dòng)車回復(fù)反射器.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009

2姚勇，房旭.汽車回復(fù)反射器［J］.世界汽車，1999（8）：11-13

3黃佐賢.現(xiàn)代汽車燈具［M］.北京：長虹出版公司，2003

4李真，杜穎，王潤歧，等.回復(fù)反射器的理論［J］.汽車技術(shù)，1999（4）：17-18

The Principle and Photometric Test of Retro-Reflecting Devices for Vehicles

Zhang Xianzhong1，Li Chenzhen2，Li Gang1
1-Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute（Tianjin，300072，China）2-China Automotive Technology and Research Center

Retro-reflecting devices are important parts of light-signaling devices for vehicles.In this paper we analyze the principle and photometric test method of retro-reflecting devices for vehicles.We also make the verification test with typical example.This paper can provide the theoretical basis for the design，production and test of retro-reflecting devices.

Retro-reflection，Angle of divergence，CIL，Distribution of light

U463.65

A

2095-8234（2015）04-0087-04

2015-07-22）

張憲忠（1984－），男，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)動(dòng)車輛檢測。