產業脈動｜雷射新脈動:光達應用市場前線
摘要：雷射產業在過去幾十年中經歷了快速的發展，而雷射光達技術正站在這一發展浪潮的前沿，為眾多應用領域提供了嶄新的機會。在自動駕駛和無人機領域：雷射光達在自動駕駛和無人機技術中扮演了關鍵角色。其高精度的三維感測能力使得車輛和飛行器能夠實現更高程度的自主性，從而提高了安全性和效率。這將為自動駕駛汽車和無人機的應用帶來更多的商機。在城市規劃和智慧城市領域：雷射光達可用於建立高精度的城市地圖和三維模型，可以改進交通流量管理，有助於城市規劃和基礎設施管理。在環境監測和自然災害預警領域：雷射光達可用於監測地形、森林火災、洪水、地震等自然災害，從而減少損失。在工業檢測和質量控制領域：可用於檢測產品的尺寸、形狀和表面質量，這有助於提高製造過程的效率和產品的質量。總之，雷射光達技術的不斷演進為各個行業帶來了無限可能性。在未來，我們可以期待看到更多基於雷射光達的創新應用，並成為推動雷射產業產值成長的重大力量。
Abstract：The laser industry has undergone rapid development over the past few decades, and laser LiDAR technology is at the forefront of this wave, offering new opportunities across numerous application domains. In the fields of autonomous driving and unmanned aerial vehicles (UAVs), laser LiDAR plays a pivotal role. Its high-precision 3D sensing capabilities enable vehicles and aircraft to achieve a higher degree of autonomy, thereby enhancing safety and efficiency. This opens up significant commercial prospects for applications in autonomous vehicles and UAVs. In urban planning and the realm of smart cities, laser LiDAR is instrumental in creating high-precision city maps and 3D models. It can improve traffic flow management and contribute to urban planning and infrastructure management. In the domain of environmental monitoring and natural disaster early warning, laser LiDAR is employed for monitoring terrains, forest fires, floods, earthquakes, and other natural disasters, helping to reduce losses. In industrial inspection and quality control, it is used to inspect product dimensions, shapes, and surface quality, contributing to increased manufacturing process efficiency and product quality. In conclusion, the continuous evolution of laser LiDAR technology presents boundless possibilities across various industries. In the future, we can expect to witness more innovative applications based on laser LiDAR, making it a significant driver of revenue growth in the laser industry.
關鍵詞：光達、雷射應用、自駕車
Keywords：LiDAR, Laser application, Autonomous vehicles
前言
雷射技術的快速發展已經改變了許多行業，而雷射光達技術正處於這一變革浪潮的前沿。這些行業包括自動駕駛、無人機、城市規劃、環境監測和工業檢測等。依據全球市調機構YOLE與Forbes的資料推估[1][2]，在2028年之前，光達的全球市場複合年成長率可達25%，產值可超過1,500億臺幣，是未來光電模組領域的新星。其中最受矚目的光達應用領域大概就是自動駕駛和無人機，如圖1，光達在自動駕駛的應用的複合年成長率將高達114%，光達在無人機的應用的複合年成長率將高達37%，都是相當驚人。
圖1 車用光達市場成長率為各應用中最高 (工研院整理並使用AI繪製)
雷射光達技術在自動駕駛和無人機技術中扮演了關鍵角色。其高精度的三維感測能力使得車輛和飛行器能夠實現高度的自主性運動，從而提高了交通安全性和移動效率。自動駕駛汽車通過配備雷射光達傳感器，能夠即時感知周圍環境，精確地識別障礙物，並進行路徑規劃如圖2。在美國的舊金山與鳳凰城，Google旗下Waymo的無人自動駕駛計程車已於2018年開始進行營運測試，並於2023年5月通過政府審查，在舊金山進行全區佈署，客戶可使用智慧型手機以Uber APP進行叫車。德國斯圖加特已開放Level 4的自動駕駛上路，由特別設計的賓士EQS 450+在機場展開服務，其他歐洲地區的賓士 S-class 與 EQS 的車款也已在2023年提供 Level 3 的自動駕駛選配銷售。據全球市調機構CISION與 YOLE的資料推估，在2027年之前，無人車用光達產值可超過760億臺幣。
圖2 自動駕駛車將改變交通的未來 (工研院整理並使用AI繪製)
在無人機方面，烏俄戰爭證明了無人機為今後未來戰場的主流，群蜂式的無人機攻擊成為戰場上士兵的噩夢。在民用方面，2022年全球電商大廠AMAZON開始於加州洛克福德市(Lockeford)進行無人機送貨服務，無人機將在時速80 km下，進行2.5 kg以下的商品運送，AMAZON用戶將能透過Prime Air將貨品直接配送至客戶家，如圖3。依據全球市調機構Global Market insights的預測，無人機用的光達的全球市場複合年成長率可37%。在無人機領域，雷射光達傳感器可以實現高度精確的地圖繪製和地形測量。此外，無人機配備雷射光達技術還可以用於農業，利用不同狀況植物對光達的反射狀況不同，以實現精準農業管理，提高農產品的生產效率。
圖3 無人機送貨模擬圖(工研院整理並使用AI繪製)
城市規劃和智慧城市領域也會用到大量的光達。雷射光達技術用於創建高精度的城市模型，有助於改進交通流量管理、城市規劃和基礎設施管理。智慧城市可以更好地理解和應對城市的需求，提供更高效的城市服務。在美國田納西州的城市查他努加(Chattanooga)，來自於韓國的首爾機器人公司(Seoul Robotics)正於該市86個路口進行光達部屬，如圖4，這些光達於每個十字路口進行車輛排隊狀況、行人等待狀況、車流量等道路資訊進行偵測，查他努加的市民將可以享受到自適應且連鎖的紅綠燈路況控制，可以大幅的減少汽車等紅綠燈的時間，減少汽車停止與啟動的不適感與廢氣排放。
雷射光達在環境監測和自然災害預警領域也具有重要應用價值。它可以用於監測地形、森林火災、洪水、地震等自然災害。例如，在洪水預警方面，雷射光達可以即時監測河流水位和地形變化，以幫助居民疏散和應對洪水。聯合國國際戰略應對自然災害機構（UNISDR）的統計，自2000年以來，全球自然災害已經造成數百萬人死亡，並造成數千億美元的經濟損失。雷射光達技術的使用有助於更精確地監測地形變化，預測山崩、雪崩等狀況，以預測和應對自然災害。
圖4 智慧路口光達架設模擬圖(工研院整理並使用AI繪製)
在工業檢測和品質控制方面，雷射光達技術也有廣泛應用。它可以用於檢測產品的尺寸、形狀和表面品質。如圖5，在汽車製造中，雷射光達可以用於測量汽車車身的精確度，確保所有零部件的精準配合。如臺灣大型企業廣達旗下的達明科技，成功開發了結合人工智慧與內建智慧感測技術的協作型機器人。透過光達的協助，這組機器人能夠精確的測量機械組件的外觀。借助NVIDIA Isaac Sim平台，達明科技建立了一個對於工廠各生產設備外觀與產品尺寸的數位雙生平台，可以在虛擬工作環境中對機械手臂與產線的運作進行測試。這項技術優化了機械人生產線的建置的過程，將自動化編程時間減少了70％，極大地節省了時間和成本。
雷射光達技術的不斷演進為各個行業帶來了無限可能性。它不僅提高了安全性、效率和精確度，還有助於創造新的商機。在未來，我們可以期待看到更多基於雷射光達的創新應用，它將成為推動雷射產業產值持續增長的重大力量。隨著技術的不斷成熟和普及，雷射光達將在更多領域發揮其潛力，改變我們的生活方式並推動產業的發展，帶來更多的創新和改進。
圖5 光達搭配機器手臂量取物體外型模擬圖(工研院整理並使用AI繪製)
光達的技術與分類
光達（LIDAR）技術雖然不斷發展和演進，但都侷限在大氣參數量測、空氣汙染、三維地形地貌量測與製圖等科學或工程上的應用， 直到2016年5月，Tesla公司的自駕車發生一起死亡車禍，讓大家意識到光達在自駕車的不可或缺性。從2016年起各國大廠紛紛投入車載光達的開發，至今車載光達已被廣泛的應用到ADAS和自駕車應用，價格也降到可以被車廠接受的程度。光達並非是單一型態的技術，應用在不同的領域上，每種技術都有其獨特的優勢和劣勢。光達以測距方式來分類，可以分為直接飛時計時(Direct Time Of Fly, DTOF)和間接飛時計時(Indirect Time Of Fly, ITOF)方式。若以雷射波長來分類，可以分為非人眼安全與人眼安全光達等方式；光達以成像方式來分類，可以分為旋轉式光達、掃描式光達、快閃式光達和光相位陣列式(Optical Phase Array, OPA)光達等方式如圖6，以下將介紹各類光達的優缺點和代表廠商以及在各種應用領域中的潛力和挑戰。
1.以測距方式分類
(1)DTOF 測距光達
DTOF測距使用的是短脈衝雷射，雷射脈衝大約在5-10 ns，量測方式是由雷射打出一個短脈衝光束，並啟動一個計時電路，當雷射光束打到目標物，即會產生反向回波，當感測器收到回波訊號，即關閉計時器，若量測的時間為t，此時的量測距離l, , c:光速，一般測距精度約3 cm左右。
-優點：電路簡單，適合0.5 m以上的測距，具有多回波測距功能。
-缺點：短距離測距精度無法達到毫米(mm)等級，只能達到釐米(cm)等級。
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