機動車回復反射器原理及光度測試

張憲忠　李晨貞　李　鋼（-天津內燃機研究所天津30007-中國汽車技術研究中心）

·測控技術·

機動車回復反射器原理及光度測試

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

機動車回復反射器是車輛光信號裝置的重要組成部分，分析了機動車回復反射器的工作原理、測試方法，并選取典型產品進行了測試和試驗驗證，為機動車回復反射器產品的設計生產、檢測認證提供了理論基礎。

回復反射觀察角發光強度系數（CIL）光場

引言

機動車回復反射器作為保障車輛夜間行駛安全的一個重要設施，在道路車輛上已經得到了廣泛應用，國家標準GB 11564-2008《機動車回復反射器》［1］對機動車回復反射器的要求、試驗方法和檢驗規則等進行了詳細的規定，同時，GB 4785-2007、GB 18100-2010等國家標準也詳細規定了機動車輛應該強制或選擇裝配的回復反射器種類。

1　機動車回復反射器基本工作原理

機動車回復反射器一般安裝于車輛的側面及尾部（如圖1所示），如有需要時，車輛前部也可以選擇安裝。回復反射器本身并不能發光，其主要用途為將對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）方車輛前照燈發出的光照射到前方車輛的后（側）回復反射器上，回復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，以便提前預防，避免車輛追尾或者相撞等交通事故的發生。

2　機動車回復反射器的主要術語和定義

機動車回復反射器常會涉及到如下術語和定義。

1）回復反射：光線沿著與入射光線臨近的方向反射，當照射角在很大范圍內變動時，仍能保持這一特性。

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

3）觀察角（α）：基準中心到受光器的連線與基準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）、前車回復反射器（基準中心）、后車駕駛員眼睛（受光器）三點連線所組成的夾角。在GB 11564-2008中規定了兩個觀察角，0.33°和1.5°。規定兩個角度的原因在于，0.33°主要模擬小型車的實際駕駛情況，因為小型車整體高度偏低，駕駛員眼部與回復反射器/前照燈的高度差較小，而對于大型客車及貨車等，高度差又會變得很大，所以需要進一步增大觀察角的度數（1.5°），來保證回復反射器的實際使用效果。

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

5）旋轉角（ε）：反射器從一定位置開始，繞其基準軸線旋轉所經過的角度。

3　回復反射原理

回復反射器由多個具有回復反射功能的光學單元組合而成，光學單元主要有兩種，微珠和立方角錐棱鏡。在車輛上應用最多的為立方角錐棱鏡，本文的主要分析對象也為立方角錐棱鏡型。如圖2所示，回復反射器一般由光學塑料注塑而成，從垂直于反射面的角度觀察，發光面是由一個個的立方角錐棱鏡組成，每一個角錐棱鏡由三個互相垂直的面構成凹形，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反射器。

圖2　回復反射器及光學單元

當一束光射到某個反射面上時，按照基本的光學反射原理，光束將反射到第二個面上，然后反射到第三個面，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，這種狀態并不能應用于回復反射器，實際駕駛時，駕駛員的眼點與前照燈并不處于同一位置，如果按照定向反射理論，前照燈發出的光經回復反射器的反射后，仍返回到前照燈附近，這樣就無法被駕駛員看到，失去了實際使用的意義。所以在設計和制造中，三個反射面并不是嚴格的90°垂直，而是稍微有一定的偏差。

理論分析和試驗證明，當這三個二面直角反射面有一定夾角時，反射光就會分成呈現如圖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，這部分光不是回復反射光。

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

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

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

5）折射光：在各回復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生的折射光。這部分光不能形成回復反射而損失掉。

圖3　回復反射器反射光光場［4］

4　機動車回復反射器性能測試

機動車回復反射器性能的好壞最主要的依賴于其光度性能的指標，根據GB 11564-2008的規定，光度性能由發光強度系數（CIL）值決定，即回復反射器在一定的照射角、觀察角和旋轉角的條件下，反射光發光強度與反射器照度的比值。

如圖4所示，將回復反射器固定在距離受光器30.48 m的測試臺架上，入射光由一個色溫為2856K的標準A光源（投光器）發出，水平入射到反射器表面上。首先調節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（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　回復反射器光度測試示意圖

然后利用下述公式計算回復反射器的發光強度系數（CIL值）：

旋轉回復反射器，使光源從不同方向射向反射器表面，即改變照射角，測試計算不同照射角下的CIL值。

按照前述的反射原理，在回復反射光中，對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反光單元的光斑，此處的CIL值應為最大且成正態分布，在光斑以外，CIL值沿著6組衍射光芒遞減。我們選取了一個典型的機動車回復反射器產品進行試驗，來進一步驗證回復反射器的反射原理，試驗方法如下：

1）A光源以照射角H=0°V=0°入射到反射器上。

2）從試驗設備所允許的最小觀察角（0.17°）開始，測試0.17°到2.0°觀察角范圍內的所有測試點的CIL值，具體測試點選擇如下：

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個觀察角下的發光強度系數（CIL）值，測試結果如圖5所示。

圖5　發光強度與觀察角關系示意圖

圖5中，x軸坐標為觀察角，y軸為發光強度系數（CIL）值，可見，隨著觀察角的不斷增大，CIL值基本呈現逐級遞減的趨勢，同時，光場中部CIL值最高，向外迅速減少。由此我們可以得出結論:反射光的光強基本上服從正態分布規律，同時光強的分布情況受發散角（從立方角錐棱鏡中心對稱的兩個區域出射的兩光束的夾角）的影響，發散角越小，光能分布越集中；發散角越大，光能分布范圍越大，且中間部分光能量相對減少，四周光能量相對增加［4］。

5　結論

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

1）生產工藝

回復反射器是被動發光體，它依靠自身的結構，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，因此對模具制造和生產過程控制要求非常嚴格。因此提高回復反射器質量首先要提高模具水平，同時選用穩定可靠的注塑設備和注塑工藝。

2）精密設計

回復反射器回復反射功能的實現依靠精確的光學設計，設計中稍有偏差就可以能導致反射功能的嚴重喪失，因此，應注重設計過程中的合理性、嚴謹性。同時，也要針對不同法規的要求進行區別設計，例如我國及歐盟法規要求的觀察角為0.33°和1.5°，而美國SAE標準又要求觀察角為0.22°和1.5°，在產品設計時應予以注意。

1全國汽車標準化技術委員會.GB 11564-2008機動車回復反射器.北京：中國標準出版社，2009

2姚勇，房旭.汽車回復反射器［J］.世界汽車，1999（8）：11-13

3黃佐賢.現代汽車燈具［M］.北京：長虹出版公司，2003

4李真，杜穎，王潤歧，等.回復反射器的理論［J］.汽車技術，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，主要研究方向為機動車輛檢測。