浙江大学鸣泉电子实业公司
汽车前照灯主要用于汽车夜间或阴暗、雨雾天气行驶照明。它的亮度和照射方向对于行车安全是至关重要的。夜间汽车所有前照灯同时照明时，灯具应具有使驾驶员看清前方100米距离以内交通障碍物的性能，照明光束应对准汽车前进的方向，主光轴方向应偏下。前照灯的发光强度不足或照射方向不合适，汽车前方的情况就不能清晰易见。而发光强度过强或照射方向过高，会使迎面驶来的汽车里的驾驶员造成眩目，妨碍驾驶员作出正确的判断，这些都是导致交通事故的重要原因。为了降低行车事故，确保行车安全，汽车在出厂前其前照灯必须调整正确。汽车前照灯的检验必须经常化和制度化。为此，国家公布了《机动车前照灯使用和光束调整技术规定》(GB7454—87)和《汽车前照灯配光性能》(GB4599—84)，对机动车的远光照明和近光照明的发光强度和照射方向提出了明确的要求。特别是在进WTO后，这一要求会逐渐强化，以便和国际接轨。
一、前照灯测试原理
典型的前照灯远光配光特性如图（1）所示。
图中是等照度曲线；在上下方向和左右方向基本对称，越靠近中心点，照度越大。
典型的前照灯近光灯配光特性是有明显的明暗截止线，在明暗截止线的左上方有一个比较暗的暗区，在明暗截止线的右下方有一个比较亮的亮区；其光强最强的区域在明暗截止线的右下方，在以光强最大的区域中心点，照度越大，并以这中心点为中心，形成一定的等照度曲线。如图（2）是一个近光的光斑图形。
图（3）是其对应的等高线图。
根据检测线的检测流程，按照先测远光，再测近光的过程进行前照灯的测量。 1．前照灯远光的测量
前照灯远光的检测过程主要有两步：光轴中心的对准和角度、光强的测量。要计算远光光强照射的空间偏角，需要两个空间坐标位置，可以设立两组光电池，在不同的平面上测量光轴的位置。 ●光轴的对准
根据远光的轴对称特性，通常用对称点的方法确定光轴方向。全自动前照灯检测仪的光接收箱前面装有四个光电池，上下、左右各一对。当前照灯远光光轴经过光接收箱中心时，上下、左右两对光电池的响应达到平衡；光轴不经过光接收箱中心时，光电池的输出不相等，仪器会相应移动，直到其相等，仪器就是根据这个原理来到前照灯的远光光轴。为了加快寻光的速度和范围，在更大的范围内设置光电池，作为辅助的粗定位参考依据。
光轴对准的过程其实是一个坐标系的建立过程，光电池上下、左右对称轴的交点就是坐标系的原点。
●角度、光强的测量
仪器对光轴对准后，由安装在光接收箱前面的成像透镜将前照灯的光束成像后，投射到光接收箱后面的成像面上，在成像面上有四象限光电池。通过移动象限光电池，一直到上下、左右分别达到平衡，光斑的像的中心落在象限光电池的中心。根据光电池此时的位置
和定标的数据，可以得到此时的远光光轴在水平和竖直方向的角度偏转。结合相应的测量距离，可以计算得到前照灯的空间相对位置，为下一步近光的角度计算提供数据。
2．近光的测量
根据国标的规定，近光的偏角计算是在确定了明暗截止线的基础上进行的。因为需要进行图像分析的计算，普通的光电池扫描很难满足图像精度要求，采用了CCD这种目前广泛应用的面阵图像传感器，可以采集到精度较高的图像（如图（2）所示）。 计算出图像的拐点后，同样可以根据远光测量阶段得到的灯的空间位置以及CCD各图像点对应的空间位置（可预先进行标定），可以进行近光的偏角计算。
二、方案讨论
目前各前照灯测试设备生产厂家生产的测试仪大多采用了三种测量方法，
1．第一种是本文前面所述的采用CCD和光电池相结合方法：利光电池进行远光测量，利用CCD进行近光测量，也是目前使用最多的方法（以下称混合法）；
2．采用全光电池的方法。测量近光时用光电池进行扫描，以得到平面图像进行近光分析（以下称光电池法）；
3．采用全CCD测量，用CCD替代光电池进行远光的定位、角度和光强测量（以下称CCD法）；
三种方法各有利弊，现以混合法为参考标准，作比较如下：
1．CCD法在测量远光灯光光型不符合标准而具有多组对称点时，具有角度测量上的优势，其精度和重复性精度较高。如果考虑到光型是在车灯灯具生产的时候就应该得到保证，其优势并不明显。同样的，由于CCD本身的生产工艺的限制，其器件的动态范围较小。
目前国内器件动态范围大的只有几百，为了避免易饱和的弊病，常进行非线性校正，如γ校正，无法胜任光强度测量。国外的高端产品动态范围大的也只有两三千，但价格相当昂贵。由于前照灯的光强范围变化较大，因此在光强测量上，混合法的光电池要优于CCD；
2．和全光电池相比，两者的远光测量方法是一样的，主要区别在于近光测量。近光测量的要求是角度方向，而无光强要求。光电池扫描获得的图像无论从分辨率还是图像点的相对位置精度方面都是无法和CCD相比的。
三、实际采用方案
实际的仪器设计采用了上叙的混合法，即用光电池进行远光测量，用CCD进行近光测量。
1．成像原理
利用几何光学中的物像对应关系，使远处的大范围光强分布成为较小的可测量实像，用面阵CCD作为图像传感器，可以一次得到整个平面上的光强分布。
前照灯可以认为是具有一定光强分布的面光源。如图(5)虚线所示，设在较远的B点
位置光线会聚为A车灯透镜。在光路中插入菲涅耳透镜组（假设等效为L）后，原A点的光线实际会聚在Aˊ，成像为。
如果假设透镜的焦距为f，设灯的半高度为r，灯到透镜的距离为d，则有以下关系等式：
选择合适比例的和就可以得到恰当的像，从而方便测量。在下文称AB对应的位置为实际位置，对应的位置为测量像面。
2．总体设计
系统的总体结构如图(6)所示，主要由光学系统、CCD探测器、单片机处理系统和计算机及相应的软件组成。
QDC一1型B机动车前照灯电脑检测仪(以下简称检测仪)可用于测量机动车前照灯远光的发光强度和远、近光束照射方向，仪器应用先进计算机技术，精密的光学成象系统，数字显示系统和高精度V(入)探测器，操作方便，测量准确。
平台M前方靠近均匀衰减片的后侧，在四个边框的中心各固定了一个光电探测器（如图（7）），用于确定对称光斑中心。同时为了缩短测量平台M的长度，将CCD摄像头置放于机箱的正上方，并通过软件矫正由于倾斜拍摄而造成的图像变形。采用漫反射屏是为了避免有入射光被直接反射到CCD上参与成像。
图像采集卡量化精度为8位。CCD可探测的最低照度为0.02lx。
测量在无同向照射光源的条件下进行，前照灯距离透镜1米。利用物像间虚实对应的关系，均匀的漫透射白屏上有一个反映实际位置处照明情况的可测量实像。带照相物镜的CCD摄像头拍摄此图像并交付计算机处理。
测量的第一步骤是利用远光照明的对称性，到远光光斑的对称中心，在将此点作为光斑中心的基础上再测得所有的数据。
计算机通过标准RS232总线和控制机箱的单片机进行联系。测量时，计算机给单片机一个启动信号，单片机开始按程序进行工作。根据四个光电探测器的输出，移动整个机箱直至信号对称，称之为外框对中。完成后，读入图像，分析图像的对称中心，根据预先划分好的角度对应关系完成前照灯的远光光束测量。不改变机箱的位置，进行近光照明的测量。对读取的图像进行合适的角度划分和特征提取，就可以按要求对其各种性能进行评估。
计算机负责处理由图像采集卡采集到的数字图像，包括去噪声、锐化、分割和特征提取，最后将图像按标准划分并提取相应各测量点的光强值。最大测量角度为在水平方向上±20度，竖直方向上±10度，利用了虚物成实象的光学原理,设计的实际光斑图象对应距离为20米远，角度分辨率为0.05度。
与国内外同类仪器相比，本仪器具有以下特点：
1．大尺寸，高亮度LED数字显示。
2．应用微处理机控制，测量速度快，测量精度高。
3．计算机软件适用于检测部门和工厂维修部门。
4．仪器带有定标软件，标定过程非常简单容易。
5．光控测器应用高质量硅光电器件，并匹配成国际照明委员会推荐的V(入)曲线，发光强度测度精度高。
6．测量范围大，适用于包括卤钨灯在内的机动车前照灯测量。
7．仪器内部设有数据输出接口，可以方便地与检测线主机联机。
8．可进行车灯的远、近光的角度、光强及车灯高度测量。
9．近光测量使用面阵CCD成象，图像捕捉迅速准确，为正确地进行近光光束的分析提供了充分的数据。
四、电路设计
前照灯检测仪自动测试系统主要由光轴对准机构、光轴偏移检测机构、微处理器控制单元等组成。光轴对准机构是使光电箱自动跟踪前照灯光束的中心，从而使光电箱探测面的中心位于光轴上。光轴对准机构的原理图如下图所示。
图（8）光轴对准机构原理图
在光电箱的探测面上安装了四个上下、左右互相对称的光电池。当探测面的中心点没有落在光轴上时，造成四个光电池输出信号的不相等，微处理器读取这些信号就可判断探测面偏离光轴的方向，然后驱动电机带动光电箱作相应运动，直至上下之间、左右之间光电池的输出信号相等，使光轴位于探测面的中心。
光轴偏移检测机构的主要作用是测量前照灯的光轴偏移量和光强强度，其机构原理图如下
图4所示。
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镜
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