张宪忠　李晨贞　李　钢（-天津内燃机研究所天津30007-中国汽车技术研究中心）

·测控技术·

机动车回复反射器原理及光度测试

张宪忠1李晨贞2李钢1
（1-天津内燃机研究所天津3000722-中国汽车技术研究中心）

机动车回复反射器是车辆光信号装置的重要组成部分，分析了机动车回复反射器的工作原理、测试方法，并选取典型产品进行了测试和试验验证，为机动车回复反射器产品的设计生产、检测认证提供了理论基础。

回复反射观察角发光强度系数（CIL）光场

引言

机动车回复反射器作为保障车辆夜间行驶安全的一个重要设施，在道路车辆上已经得到了广泛应用，国家标准GB 11564-2008《机动车回复反射器》［1］对机动车回复反射器的要求、试验方法和检验规则等进行了详细的规定，同时，GB 4785-2007、GB 18100-2010等国家标准也详细规定了机动车辆应该强制或选择装配的回复反射器种类。

1　机动车回复反射器基本工作原理

机动车回复反射器一般安装于车辆的侧面及尾部（如图1所示），如有需要时，车辆前部也可以选择安装。回复反射器本身并不能发光，其主要用途为将对方车辆的灯光逆向反射回去，从而向其他车辆驾驶员表明车辆存在及位置。

图1　回复反射器工作原理示意图

如图1所示，在车辆行驶过程中，后（侧）方车辆前照灯发出的光照射到前方车辆的后（侧）回复反射器上，回复反射器反射回来的光沿着与入射光相邻的方向返回，该反射光被驾驶员的眼睛接收，从而驾驶员能够得到前方有车辆存在的信号，以便提前预防，避免车辆追尾或者相撞等交通事故的发生。

2　机动车回复反射器的主要术语和定义

机动车回复反射器常会涉及到如下术语和定义。

1）回复反射：光线沿着与入射光线临近的方向反射，当照射角在很大范围内变动时，仍能保持这一特性。

2）基准轴线（NC）：由制造商规定的，在回复反射器光度测试和安装时，作为角视场的基准方向（H= 0°，V=0°）。

3）观察角（α）：基准中心到受光器的连线与基准中心到光源中心的连线之间的夹角。如图1中所示，该角度即为后车前照灯（光源中心）、前车回复反射器（基准中心）、后车驾驶员眼睛（受光器）三点连线所组成的夹角。在GB 11564-2008中规定了两个观察角，0.33°和1.5°。规定两个角度的原因在于，0.33°主要模拟小型车的实际驾驶情况，因为小型车整体高度偏低，驾驶员眼部与回复反射器/前照灯的高度差较小，而对于大型客车及货车等，高度差又会变得很大，所以需要进一步增大观察角的度数（1.5°），来保证回复反射器的实际使用效果。

4）照射角（β）：基准中心到光源中心的连线与基准轴线之间的夹角。照射角的角度主要模拟行驶过程中车辆之间不同的相对位置，例如车辆前后同向行驶时，后车灯光近似直射到前车的反射器上，可以认为此时的照射角为水平H=0°，垂直V=0°。但当前车正在转弯时，水平照射角度就会发生变化；前车爬坡时，垂直角度也会发生变化，因此在GB 11564-2008中规定了水平方向±20°，垂直方向±5°的变化范围。

5）旋转角（ε）：反射器从一定位置开始，绕其基准轴线旋转所经过的角度。

3　回复反射原理

回复反射器由多个具有回复反射功能的光学单元组合而成，光学单元主要有两种，微珠和立方角锥棱镜。在车辆上应用最多的为立方角锥棱镜，本文的主要分析对象也为立方角锥棱镜型。如图2所示，回复反射器一般由光学塑料注塑而成，从垂直于反射面的角度观察，发光面是由一个个的立方角锥棱镜组成，每一个角锥棱镜由三个互相垂直的面构成凹形，将若干角锥棱镜按照需要的形状和尺寸组合起来就是回复反射器。

图2　回复反射器及光学单元

当一束光射到某个反射面上时，按照基本的光学反射原理，光束将反射到第二个面上，然后反射到第三个面，最后沿着平行于入射光的方向返回，这样的反射成为定向反射［2］。定向反射只是一种理论的状态，这种状态并不能应用于回复反射器，实际驾驶时，驾驶员的眼点与前照灯并不处于同一位置，如果按照定向反射理论，前照灯发出的光经回复反射器的反射后，仍返回到前照灯附近，这样就无法被驾驶员看到，失去了实际使用的意义。所以在设计和制造中，三个反射面并不是严格的90°垂直，而是稍微有一定的偏差。

理论分析和试验证明，当这三个二面直角反射面有一定夹角时，反射光就会分成呈现如图3所示的光场，该光场由如下光组成［3］：

1）镜面反射光：是由反射器前表面反射的光，这部分光不是回复反射光。

2）逆向反射光：在回复反光单元中能完成三次反射的光，以一定的发散角沿原入射方向返回。它是由六倍于回复反光单元的细光束组成。由于三个反射面的平面度误差，造成各细光束也呈发散状光锥，随观测距离的增加光斑的尺寸也增大。

3）漫反射光：前表面和三个反射面均产生漫反射光，其中能沿入射光方向返回的也是回复反射光的组成部分。

4）衍射光：入射光在各回复反光单元相接的光缝处产生了衍射光，其中能在三个反射面完成三次反射的形成了6组等圆周角分布的回复反射光芒。

5）折射光：在各回复反光单元中不能完成三次反射的光和不满足全反射条件的光所产生的折射光。这部分光不能形成回复反射而损失掉。

图3　回复反射器反射光光场［4］

4　机动车回复反射器性能测试

机动车回复反射器性能的好坏最主要的依赖于其光度性能的指标，根据GB 11564-2008的规定，光度性能由发光强度系数（CIL）值决定，即回复反射器在一定的照射角、观察角和旋转角的条件下，反射光发光强度与反射器照度的比值。

如图4所示，将回复反射器固定在距离受光器30.48 m的测试台架上，入射光由一个色温为2856K的标准A光源（投光器）发出，水平入射到反射器表面上。首先调节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计（受光器）接收观察角分别在0.33°和1.5°方向上的反射光的照度值E（lx）。

图4　回复反射器光度测试示意图

然后利用下述公式计算回复反射器的发光强度系数（CIL值）：

旋转回复反射器，使光源从不同方向射向反射器表面，即改变照射角，测试计算不同照射角下的CIL值。

按照前述的反射原理，在回复反射光中，对光场能量分布起主要作用的是位于光场中间的六倍于回复反光单元的光斑，此处的CIL值应为最大且成正态分布，在光斑以外，CIL值沿着6组衍射光芒递减。我们选取了一个典型的机动车回复反射器产品进行试验，来进一步验证回复反射器的反射原理，试验方法如下：

1）A光源以照射角H=0°V=0°入射到反射器上。

2）从试验设备所允许的最小观察角（0.17°）开始，测试0.17°到2.0°观察角范围内的所有测试点的CIL值，具体测试点选择如下：

0.17°～0.45°：测试步长0.01°

0.45°～0.70°：测试步长0.02°

0.70°～1.50°：测试步长0.05°

1.50°～2.00°：测试步长0.10°

按照上述测试步长，共测试62个观察角下的发光强度系数（CIL）值，测试结果如图5所示。

图5　发光强度与观察角关系示意图

图5中，x轴坐标为观察角，y轴为发光强度系数（CIL）值，可见，随着观察角的不断增大，CIL值基本呈现逐级递减的趋势，同时，光场中部CIL值最高，向外迅速减少。由此我们可以得出结论:反射光的光强基本上服从正态分布规律，同时光强的分布情况受发散角（从立方角锥棱镜中心对称的两个区域出射的两光束的夹角）的影响，发散角越小，光能分布越集中；发散角越大，光能分布范围越大，且中间部分光能量相对减少，四周光能量相对增加［4］。

5　结论

本文主要分析了机动车回复反射器的工作原理、测试方法等，通过分析，我们可以得出影响回复反射器光度性能的原因主要有以下两个方面：

1）生产工艺

回复反射器是被动发光体，它依靠自身的结构，将接收到的光反射回去，所以就要求其有精确的几何精度。还要求要有较高的平面度及光洁度，因此对模具制造和生产过程控制要求非常严格。因此提高回复反射器质量首先要提高模具水平，同时选用稳定可靠的注塑设备和注塑工艺。

2）精密设计

回复反射器回复反射功能的实现依靠精确的光学设计，设计中稍有偏差就可以能导致反射功能的严重丧失，因此，应注重设计过程中的合理性、严谨性。同时，也要针对不同法规的要求进行区别设计，例如我国及欧盟法规要求的观察角为0.33°和1.5°，而美国SAE标准又要求观察角为0.22°和1.5°，在产品设计时应予以注意。

1全国汽车标准化技术委员会.GB 11564-2008机动车回复反射器.北京：中国标准出版社，2009

2姚勇，房旭.汽车回复反射器［J］.世界汽车，1999（8）：11-13

3黄佐贤.现代汽车灯具［M］.北京：长虹出版公司，2003

4李真，杜颖，王润歧，等.回复反射器的理论［J］.汽车技术，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）

张宪忠（1984－），男，本科，主要研究方向为机动车辆检测。