[前言]

[評估雷射波長]

[需考量的取捨因素]

[905nm vs 1535nm 波長比較表]

[市場應用現況]

[未來展望]

[參考資料]

前言

評估 雷射波長：

波長 在雷射測距模組中扮演著關鍵角色，直接影響其效能與應用能力。雷射依運作範圍可分為紫外光、可見光與紅外光等不同波段。在測距應用領域，我們主要聚焦於 905nm 與 1535nm 這兩種波長。兩者各有其獨特之處，值得仔細評估。

• 905nm
  905nm 近紅外線雷射採用半導體雷射二極體技術，其波段恰好落在矽感光元件可有效偵測的範圍內，此技術已相當成熟、應用廣泛，且具備成本效益。
  
• 1535nm
  1535nm 雷射具備優異的大氣穿透能力，能在晴朗天候下實現長距離測量。
  

需考 量的取捨因素：

1. 大氣穿透能力

雖然 1535nm 相較於 905nm 波長具有 較低的大氣吸收與散射 特性，可實現長距離測量，但仍須留意 其潛在限制。舉例來說，1535nm 雷射在雨天或雪天等天候條件下，由於容易被水分高度吸收，效能可能因此降低。此外，當目標物表面潮濕時，其反射率也應納入考量。

從 下方圖1可以觀察到，水在 1535nm 波長下的吸收係數，約為 905nm 波長的 253倍。由此可知，905nm 波長明顯比 1535nm 波長更具備 耐候性。

圖 1. 水的消光特性隨波長而異 [1]

業 界如何克服在如此嚴苛環境下的效能衰減問題？

• 訊 號去噪演算法：
  • 結 合變分模態分解與鯨魚優化演算法之高效光達訊號去噪法 連結： https://www.mdpi.com/2072-4292/11/2/126
  • 惡 劣天候下基於 CNN 之光達點雲去噪技術 連結 : https://arxiv.org/abs/1912.03874
• 提 升雷射輸出功率：提高功率能增強雷射光束的光強度，使系統即使在惡劣天候條件下，仍能維持較強且清晰的訊號。然而值得注意的是，提升雷射輸出功率存在實務上的限制。功率提升會產生更多熱量，可能需要更完善的散熱機制，以避免效能衰退並確保雷射的長期可靠性。

2. 供應鏈成熟度

1535nm 雷射的實現通常涉及更複雜的技術，這會影響成本、體積以及供應鏈的成熟程度。由於 1535nm 雷射功耗較高，高效的散熱設計也變得格外重要。

905nm 與 1535nm 常用感光元件比較

InGaAs 對比 Si

矽 感光二極體對 1535nm 波長的 靈敏度較低，這是因為其能隙能量相對較高（約 1.1eV）所致。然而，此限制可透過以下方式克服：

• 矽 感光二極體超摻雜技術（能隙工程） 以硒 摻雜矽材料，能有效降低矽的能隙能量，使感光二極體得以偵測 1535nm 波長雷射（目前仍處於研發階段，市場上尚不易取得）。

其 他正在開發中的短波紅外線（SWIR）感測器：InP、PbS、GeS

感 測器技術成熟度

3. 人眼安全考量

選 擇雷射模組的適用波長時，必須考量對人眼安全的潛在影響。根據相關研究，905nm 波長落在「視網膜危害區」範圍內，對人眼相對較不安全。

905nm 雷射能穿透人眼並將高能量聚焦於視網膜上，可能導致不可逆的視網膜損傷。相對而言，1535nm 波長在到達視網膜之前，會先被角膜表層吸收，大幅降低了造成傷害的可能性，因此是相對較安全的選擇。這是因為角膜的上皮層與內皮層中含有水分所致。

警 告！：雖然角膜可承受一定程度的雷射直接照射（1400nm - 1000000nm），但長時間或高強度的照射，仍可能導致角膜組織的熱損傷。務必遵守相關安全規範。

以 下提供一些可能有用的參考資料：

短 脈衝紫外線與紅外線雷射對角膜及水晶體造成損傷之曝限與實驗數據回顧: https://lurl.cc/ovFfeG

車 用光達：1550 nm 光達安全性疑慮探討： https://www.laserfocusworld.com/blogs/article/14040682/safety-questions-raised-about-1550-nm-lidar

APL 雷射眼部安全研究： https://secwww.jhuapl.edu/techdigest/content/techdigest/pdf/V26-N01/26-01-McCally.pdf

4. 環境光干擾 太陽發射涵蓋可見光、紫外線與紅外線在內的寬頻光譜。然而根據觀察， 約 1500nm 波段的太陽輻射強度相對較弱 ，尤其相較於可見光範圍（400nm-700nm）更是如此。此特性 降低了受陽光干擾的可能性，進而提升 訊號雜訊比（SNR），有利於 LiDAR（光達）等相關應用。

SNR 是指反射訊號（此處指雷射脈衝）相對於背景雜訊強度的一項指標。SNR 越高，代表訊號越強、越清晰；SNR 越低，則代表訊號微弱，難以從雜訊中辨識。

環 境中的各種光源干擾

905nm vs 1535nm 波長比較表：

市 場應用現況

1. Apple 短波紅外線（SWIR）應用 https://www.patentlyapple.com/2022/07/details-behind-apples-skin-detect-sensor-introduced-with-their-3rd-gen-airpods-has-been-revealed-in-new-patent.html
2. 駕 駛人處於危急狀態時之安全光達偵測應用
   • 危 急狀態例如：駕駛人失去意識、恐慌、行車不便等情況
3. 多 波長光達系統
4. 地 表科學探測應用

未 來展望

1. 節 能且低成本的 1535nm 實現方案
2. 更 先進的去噪演算法
3. 1350nm 雷射應用

結 論： 選擇雷射測距模組的適用波長時，必須仔細評估 905nm 與 1535nm 各自的優缺點。最終選擇取決於應用的具體需求，以及可接受的取捨方案。905nm 雷射的優勢在於與矽感光元件相容、偵測距離較長；而 1535nm 雷射則在人眼安全性、大氣穿透力與測量距離延伸方面表現更佳。透過綜合考量上述因素，設計者便能針對特定應用場景，優化雷射測距模組的設計，確保在各種情境下都能達成精準可靠的測距效果。

參 考資料：

1. Löfgren, Stefan & Thaung, Jörgen & Lopes, Cesar. (2013). Laser pointers and eye injuries. An analysis of reported cases.
2. Wojtanowski, J., Zygmunt, M., Kaszczuk, M., Mierczyk, Z., & Muzal, M. (2014). Comparison of 905 nm and 1550 nm semiconductor laser rangefinders’ performance deterioration due to adverse environmental conditions. Opto-electronics Review, 22(3). https://doi.org/10.2478/s11772-014-0190-2
3. Singh, C., John, J., Singh, Y., & Tripathi, K. N. (2004). Indoor Optical Wireless Systems: Design Challenges, Mitigating Techniques and future Prospects. IETE Technical Review. https://doi.org/10.1080/02564602.2004.11417136
4. D. Jain, S. Alam, Y. Jung, P. Barua, M. N. Velazquez, and J. K. Sahu, "Highly efficient Yb-free Er-La-Al doped ultra-low NA large mode area single-trench fiber laser," Opt. Express 23, 28282-28287 (2015)
5. Mccally, Russell & Bargeron, C. & Bonney-Ray, Jennifer & Green, W.. (2005). Laser eye safety research at APL. Johns Hopkins APL Technical Digest (Applied Physics Laboratory). 26.