用于汽车自适应前照明系统的衍射光学元件优化：符合 ECE‑R123

为何更薄、更智能的车灯很重要

现代汽车配备了大量传感器和电子设备，但朴素的大灯仍面临一项基本权衡：既要为驾驶员良好照明道路，又不能致盲他人。传统能根据道路和交通状况塑形光束的先进大灯，通常依赖笨重的透镜和运动部件，会增加成本、重量并增加故障点。本文探索了一条不同路径：使用薄如晶圆的衍射光学元件——本质上是微观的光雕刻表面——来构建紧凑的大灯，同时仍满足严格的欧洲安全法规。

从厚重玻璃到纸片般的光束塑形器

传统的自适应前照明系统通过机械转向光束或开关许多小光源来工作。这种方法能实现良好控制，但需要为大透镜、马达和复杂组件腾出空间，而这些在实际驾驶中容易受振动和磨损影响。研究人员转而采用衍射光学元件（DOE）。这些是带有微小台阶的平坦透明材料，台阶高度仅为亚微米级。当光照射到这些微观结构上时，会以精心设计的方式发生衍射与干涉，从而只用一块薄板而不是一叠笨重的光学组件就能精细塑造光束。

将光束设计与实际法规对齐

团队的目标并非仅仅在实验屏幕上得到好看的图样。他们以欧洲 ECE‑R123 规程为起点，该规程精确定义了大灯在车辆前方特定点应有的亮度。一些区域，比如驾驶员前方的路面，必须被充分照亮以呈现道路细节；而与迎面驾驶者眼睛对准的关键点则必须保持较暗以避免眩光。作者将这些法定亮度限制转换为灰度目标图像，然后使用计算机模拟确定DOE上应刻画何种微观图案，才能将光弯折并重定向到恰好符合该分布的位置。通过调整每个微小像素的尺寸和玻璃上每个台阶的深度，他们将设计推进到既高效率——大部分光线到达目标区域——又具有清晰的“截止”线，即主光束上方亮度迅速下降的特性。

把数字图案变成真实玻璃

在虚拟设计在模拟中满足法规目标后，研究人员在一小块石英上制造了 DOE，石英在高温下保持稳定且透光性能良好。采用类似于半导体制造的先进光刻和等离子体蚀刻技术，他们在表面刻出了四级阶梯结构，每一级都精确调节以改变光的相位。显微镜图像显示蚀刻图案与设计高度吻合，统计比较证实尽管存在微小的深度误差和制造噪声，大部分预期的细结构得以保留。最终制成的 DOE 仅约 3 毫米见方，却替代了体积更大且更复杂的透镜系统的功能。

将超薄大灯付诸测试

为验证这一微小元件能否满足实际需求，团队将其与一枚为设计波长匹配而选的绿色激光二极管配对，并使用高精度机器人光度测量仪测量所得光束。该仪器在空间中扫描光传感器以记录亮度随角度的变化，直接对应法规规定的性能测量。在每个关键测试点——包括代表迎面驾驶者眼睛和前方主要视场的点——测得的强度均落在允许范围内。关键的抗眩光区域保持昏暗，而主要的前向视场比最低要求照明更强。所测光束图样，包括将亮区与暗区分隔开的清晰截止边缘，都与模拟预测高度一致。

这对未来车灯意味着什么

简言之，该研究表明，一块微小的图案化板就能以满足严格安全规定的精度引导大灯光束，而无需依赖笨重的玻璃光学件或运动部件。作者演示了从法规文本到数字设计、到制成硬件、最终到测量确认合规的完整路径。尽管原型在实验室中使用单色光，但同样的方法可扩展到多色以及更先进的自适应模式。如能进一步开发，基于 DOE 的大灯有望帮助汽车制造商打造更纤薄、更轻、更可靠的前照明系统，在为驾驶员照亮道路的同时，在对他人敏感的区域保持黑暗。

引用: Shin, S.U., Noh, M.J., Min, K. et al. Optimization of diffractive optical elements for automotive adaptive front-lighting systems: compliance with ECE-R123. Sci Rep 16, 13808 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44526-0

关键词: 汽车前大灯, 自适应照明, 衍射光学, 道路安全, 光束塑形