基于球面反射的汽車后視鏡最優(yōu)參數(shù)的設(shè)計(jì)

程凱常

摘 要 本文從最基礎(chǔ)的球面反射原理出發(fā)，著眼于解決設(shè)計(jì)不合理的后視鏡，目的是提高行車的安全性。首先，在日常生活中發(fā)現(xiàn)變道時(shí)和進(jìn)出路口時(shí)容易引發(fā)交通事故的問題；接著，從該問題出發(fā)，分析事故起因；接下來，理論聯(lián)系實(shí)際，運(yùn)用光學(xué)原理進(jìn)行一系列的科學(xué)分析和計(jì)算，得出最優(yōu)的汽車后視鏡模型即多半徑組合球面鏡；再考慮到實(shí)際行車過程中，反射鏡半徑的突然變化對(duì)駕駛員造成的判斷失誤，本文提出多半徑漸變球面鏡；最后，對(duì)該方案進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)與推廣，得出該方案可以進(jìn)一步被推廣至生活中更多需要球面鏡的地方的結(jié)論，因地制宜，做出最適合當(dāng)?shù)芈窙r的獨(dú)特多半徑組合球面鏡。經(jīng)采用后，這樣的球面鏡可以減小汽車后視鏡的盲區(qū)，在很大程度上降低交通事故的風(fēng)險(xiǎn)，增加行車安全性，達(dá)到研究目的。

關(guān)鍵詞 后視鏡盲區(qū)；球面反射；多半徑組合球面鏡；多半徑漸變球面鏡

中圖分類號(hào) U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2016）02-0041-02

1 發(fā)現(xiàn)問題

由于中國人口眾多，客運(yùn)量和貨運(yùn)量很大，所以中國交通路線往往有很多車道，道路復(fù)雜多變。再者，交通狀況對(duì)一個(gè)地區(qū)乃至一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)有著很大的影響，為保證各個(gè)地區(qū)之間更好地交流，中國交通道路的交叉路口非常多。然而，問題也隨之產(chǎn)生了：車道與車道之間、道路交叉口往往變成了交通事故的頻發(fā)地。

2 分析問題

為什么車道與車道之間、交叉路口會(huì)是交通事故的頻發(fā)地呢？通過調(diào)研，我們不難發(fā)現(xiàn)：其實(shí)，汽車在快速行駛過程中，在變道和轉(zhuǎn)彎時(shí)，司機(jī)要想了解預(yù)進(jìn)入車道的來車情況，尤其是后方來車情況，就不得不通過汽車后視鏡觀察后方，包括汽車內(nèi)部的后視鏡和側(cè)面的后視鏡。然而，通過實(shí)地考察我們了解到很多汽車的后視鏡存在著設(shè)計(jì)不合理的情況。后方來車靠近我方車輛的車況和遠(yuǎn)離我方車輛的車況并沒有在后視鏡中被區(qū)分開來。由此使得后視鏡中的畫面顯示的靠近我方車輛的車況不太清晰，看不清接近我方車輛的來車意圖；同時(shí)遠(yuǎn)離我方車輛的車況視野太狹窄，不能更好地觀察到更大視野中的車況；再加上，車速較大時(shí)，更難通過后視鏡判斷靠近我方車輛的行車意圖。出于上述兩種原因，車道與車道之間、交叉路口成了事故頻發(fā)地。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于后視鏡設(shè)計(jì)不合理造成的交通事故在中國約占30%、美國約占20%，并且在高速公路上因變換車道所發(fā)生的交通事故70%是由于后視鏡設(shè)計(jì)不合理造成的。因此，采取新的技術(shù)消除汽車后視鏡盲區(qū)，對(duì)提高汽車的安全性意義重大。

3 解決問題

3.1 尋求問題根源

我國道路交通線已經(jīng)成熟，如果從避免交通事故的角度出發(fā)來整改道路會(huì)得不償失，在此，我們只能從汽車自身結(jié)構(gòu)出發(fā)來考慮更好的辦法。在行車過程中，汽車后視鏡對(duì)安全行車有著極其重要的作用。于是，本文考慮優(yōu)化汽車后視鏡參數(shù)，減小汽車后視鏡盲區(qū)，設(shè)計(jì)出更適合行車變道的汽車后視鏡。

3.2 球面反射鏡

現(xiàn)如今投入實(shí)際應(yīng)用中的汽車后視鏡一般為球面反射鏡。球面反射鏡分為凸面鏡和凹面鏡。通過調(diào)查，現(xiàn)如今投入使用的汽車后視鏡都是采用的凸面鏡。原理圖見圖1。

3.3 理論分析

現(xiàn)對(duì)凸面鏡進(jìn)行研究分析，球面鏡的物像公式為：，其中分別為像空間折射率、物空間折射率、像距、物距、球面鏡半徑，球面反射系統(tǒng)中，，則：，進(jìn)一步，有：。

由于球面反射系統(tǒng)中，根據(jù)光路的符號(hào)規(guī)則，易知l<0恒成立，r>0恒成立，那么恒成立，則球面鏡中的圖像成像于汽車后視鏡的后面，且為一個(gè)虛像。同時(shí)，球面反射鏡的放大率為：。很顯然，往往很大，則是恒成立的，且有。

由此，我們不難得出結(jié)論：

1）汽車后視鏡成的像為縮小的、正立的虛像。

2）r越小，越大，那么像越大，越清晰，司機(jī)觀察得越清晰，但是視野變更小。

3）r越大，越小，那么像越小，畫面不清晰，但是視野變更大，司機(jī)觀察范圍更大。

3.4 最優(yōu)后視鏡參數(shù)設(shè)計(jì)

鑒于前文發(fā)現(xiàn)的汽車后視鏡的缺陷，結(jié)合上述分析成果，本文設(shè)計(jì)的汽車后視鏡為多半徑球面組合后視鏡，其具體參數(shù)要求如下。

1）在靠近駕駛員的一側(cè)的后視鏡，應(yīng)使用半徑r較大的球面反射鏡，以保證后方來車靠近我方車輛的區(qū)域看得比較清楚。

2）在遠(yuǎn)離駕駛員的一側(cè)的后視鏡，應(yīng)使用半徑r較小的球面反射鏡，以保證后方來車遠(yuǎn)離我方車輛的區(qū)域的視野比較廣，為司機(jī)提供足夠多的反應(yīng)時(shí)間。

3.5 實(shí)用性設(shè)計(jì)

上文討論結(jié)果的后視鏡模型為多半徑組合球面鏡，目前市面上存在這樣一種相似的反射鏡：這種后視鏡在距后側(cè)約1/3的位置有一條虛線，虛線以外的半徑較小。符合上述分析結(jié)果。

但是，這種后視鏡在實(shí)際應(yīng)用中存在著另一種危險(xiǎn)：半徑的突然變化，在半徑r較小區(qū)中的像較小的后方來車在越過半徑突變線的時(shí)候，進(jìn)入半徑r較大區(qū)，來車在后視鏡中的像突然變大，會(huì)讓司機(jī)來不及反應(yīng)。當(dāng)后方來車時(shí)，司機(jī)通過后視鏡觀察遠(yuǎn)區(qū)的小半徑r范圍內(nèi)觀察到的距離比實(shí)際的要更遠(yuǎn)，而司機(jī)通過后視鏡觀察近區(qū)的大半徑r范圍內(nèi)觀察到的距離比實(shí)際的要更近，半徑突變線的存在會(huì)使得這種變化來得很突然。因此，實(shí)際中應(yīng)用的后視鏡的半徑變化必須很慢，在這里，本文選擇半徑逐漸變化的球面來組合成我們需要的后視鏡。同時(shí)考慮到更方便地看見后車輪胎部位，以方便倒車，我們可以把改進(jìn)的反射鏡底部半徑再做小一點(diǎn)，最終設(shè)計(jì)方案見圖2，其中曲線曲率半徑的大小代表球面鏡的半徑。

4 評(píng)價(jià)與推廣

4.1 評(píng)價(jià)

本文從基本光學(xué)角度出發(fā)，運(yùn)用球面反射鏡原理對(duì)現(xiàn)存的易引發(fā)交通事故的后視鏡進(jìn)行了理論分析，得出了較為合理的結(jié)論，并給出了較為科學(xué)的改進(jìn)方法。分析過大多數(shù)交通事故原因后，將該類后視鏡用于實(shí)際應(yīng)用中，在一定程度上會(huì)減少大部分的交通事故數(shù)量。而且這種后視鏡的制造成本也不高，可以統(tǒng)一做成模具，然后壓制即可。這使得這種多半徑組合后視鏡的應(yīng)用變得很方便。

4.2 推廣

該類球面鏡不僅僅局限于汽車后視鏡，推廣開來，日常生活中需要球面反射鏡的地方，都可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐穆窙r及環(huán)境對(duì)球面鏡進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑欤龅揭虻刂埔?，選取最優(yōu)的球面半徑組合，換上最適合當(dāng)?shù)氐那蛎娣?/p>

射鏡。

5 結(jié)束語

本文體現(xiàn)了科學(xué)的思維方法：發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、評(píng)價(jià)與推廣，也體現(xiàn)了將復(fù)雜問題簡單化的思維，更體現(xiàn)了將所學(xué)理論知識(shí)用于實(shí)際研究設(shè)計(jì)的思維。最后，最重要的是本文的研究成果被采用后，可以減少汽車后視鏡盲區(qū)，讓行車變得更加安全。

參考文獻(xiàn)

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