量測距離當然是在精密工業中非常重要的，我在這裡要介紹我們台灣工程師所研發成功的一種飛時測距的設備，光達(LiDAR)也運用了這個原理。這種設備可以量測1公分(1公分等於1百分之一米)~1000公尺，誤差是1毫米(1毫米等於1千分之一米)。這種儀器是利用光的感測，其中有一個雷射二極體可以發射出光，也有一個光偵測器可以感測到光。

 如果我們想要知道某一個物體A距離我們多遠，我們可以利用雷射二極體發射一道光到物體上，假設光發射的時間點是T₁，打到物體以後光反射回來，被光偵測器接收到的時間點是T₂，由於光的速度是固定的，只要計算這個時間差，我們就可以知道A的距離。請看圖一，假設c是光速，距離D可以由公式D = c (T₂ – T₁) / 2計算得到。

圖二、TDC

發射光的時候，是要先產生一個脈衝1到雷射二極體，當雷射二極體收到脈衝1時，就會發出光。當光偵測器接收到反射回來的光時，會產生脈衝2。由於光的速度非常快，脈衝1和脈衝2的時間差可能只有十億分之一秒 (10^-9)，如果沒有電子線路，人類不可能偵測出這個時間差。我們的儀器完全靠TDC的電子線路，而這種線路的量測反應是非常快的。也就是說，當光偵測器收到訊號以後，電子線路可以在1奈秒(1奈秒等於10億分之一秒)中算出距離。光的來回也是相當快的，所以我們可以說，我們的距離測量設備是即時(real time)的。另外為了偵測相當近(1公分)與相當遠(1000公尺)的距離，這個線路必須依賴相當高的設計經驗，確保線路在1公分到1000公尺間的任何距離都有足夠的精確度。

 有了這種量測時間差的電子線路還不夠，光偵測器一定要在收到光的千億分之一秒 (10^-11) 內，把光轉換成電脈衝並送到TDC去，如果光偵測器的反應速度不夠快，也是會出問題的。最重要的是，我們的偵測器必須在微弱光時也能測量距離。比方說，汽車在黑暗中行走，遠方有一個身穿黑衣服的行人，這時候由行人反射回來的光非常微弱，我們也希望光偵測器能夠偵測到，這種極靈敏的光偵測器，稱為單光子累崩光偵測器 (SPAD)，所謂單光子，乃是因為我們可以說即使1個光子碰到了我們的光偵測器，我們的光偵測器也能有所反應。為了瞭解SPAD，我們首先看一般的光偵測器，請看圖三。

圖三、一般光偵測器原理

這種一般的光偵測器裡面有某種矽材料，這種矽材料接收到光子以後，光子的能量會使得電子離開矽原子，原本電子的位置就留下一個空洞。由於外加了一個電壓，這個電子會往正極方向加速。這種光偵測器的問題是，如果光很微弱，光子的數量少，電流就會比較小，因此很難被偵測到。

 單光子累崩光偵測器的原理如圖四，這種光偵測器的特點是它極為靈敏，它能夠偵測到非常微弱的光。

如圖四中所示我們將兩端施加的電壓提高，當一個光子進入矽材料，產生出一個電子時，這個電子會被電場加速，電壓越高，電子速度就越快，能量也越高。當能量夠高的電子撞擊原子時，會產生出第二個電子，接著這兩個電子可能再產生兩個電子，如此會有四個電子，進而發生連鎖反應，產生出大量的電子，這時候的電流就會非常大，能夠很輕易的被電路偵測到。

 

圖四、單光子累崩光偵測器原理

這種單光子累崩光偵測器，可以只用非常少的光子，就產生出大量的電子。但是當這種連鎖反應太激烈，產生太多電子時，光偵測器會崩潰，高電流致使元件燒毀。要克服這個問題，我們的工程師有兩個重要的技術。

(1)負責電流偵測的電子線路會在電流超過一個門檻時，迅速讓施加在光偵測器兩端的電壓下降。只要電壓下降，連鎖反應就會停止下來，就可以避免光偵測器崩潰。這個線路也是我們工程師自己設計的。 

(2)光偵測器也是一個半導體，對於這個半導體的形狀、結構、耐壓等要特別的設計，以避免高電場造成元件的毀損。但是一般的半導體製程並不一定能製作出這樣的光偵測器。這些工程師除了必須對半導體製程非常了解，知道很多半導體製程之間的各種規定。最後，他們終於能夠利用半導體製造廠商所提供的製程，做出了他們自己所需要的光偵測器。 

我國的研究人員和工程師，已經做出了這種反應速度達到千億分之一秒的光偵測器，並且可以偵測到強度只有1個皮瓦(1皮瓦等於1兆分之一瓦)的光。要達到這樣高的規格，他們必須對電子線路和半導體製程的各種規矩都十分了解。 

這種光偵測器，只有先進國家才有，但是這些國家很多大的電子公司都有自己的半導體製造工廠。我國的這些工程師面對的困難是他們沒有自己的半導體製造工廠，他們必須使用別人的工廠，因此沒有辦法自由的改變半導體製程的步驟和元件的設計方式。雖然如此，他們還是努力的鑽研，花了整整十年的功夫，才成功做出了這種高靈敏的光偵測器，也設計出極精密的電子線路，可以運用在商業用途上，值得大家給予他們鼓勵。而這個光偵測器除了他們目前使用的測距設備及光達應用上，在國外更被使用在設計精密的檢查儀器上，如核磁共振影像儀、拉曼頻譜儀、螢光生命週期顯微影像系統等。相信他們累積能量後也能往這方面前進。

 

        相信大家都知道，這種設備是很難設計的。單單光偵測器的自製設計就是這家公司獨有的，也是經過長時間研究發展出來的。我們應該慶幸我們的工程師有機會埋頭苦幹，做這個充滿挑戰性的研究，也應該鼓勵我們的年輕人都學習他們的榜樣。

最近美國為了防疫問題，發現缺少呼吸器。美國總統向福特和通用汽車求助，他們答應了，但是最快也要在四月廿日開始生產，而且是一個比較簡單的版本。川普也向波音公司求救，請他們幫忙製造有關醫療的設備。

西方媒體在新聞中會提到一種公司，叫做科技公司。有趣的是，科技公司都是指矽谷的電子和軟體公司。波音公司造出來的飛機有四百多萬個零組件，這些零組件不能有任何差錯，內行人絕對知道波音公司的技術是相當高超的。汽車公司也是如此，我們可以將一輛汽車開十幾年之久。這不是容易的事，但是媒體從來沒有認為這種公司是科技公司。

我們國家也好不到哪裡去，我們成天講５Ｇ和ＡＩ，好像治國平天下就靠這種新的科技。虧得我們有設計及製造紡織機的技術，可以在短時間內使國人有口罩可戴。很少人會鼓勵孩子投入紡織工業的，絕大多數的人也都將紡織工業列為傳統工業。

從這次危機中，我們應該知道，可以喜新，但絕對仍然要念舊。教育界尤其要有一種覺醒，我們不能不注意很多舊的學問和技術，因為即使最新的技術，也建築在很多舊的學問和技術上。以電機為例，恐怕很多教授不會設計類比線路，但是精密儀器中，類比線路是不可避免的。很多學生也不太懂電磁學，但是高頻率的訊號就要考慮電磁波。類比線路和電磁學都不是新的學問，但絕對不能放棄。

至於機械和化工，我們往往忽略了他們的重要性。大家會鼓勵年輕人研究機器人，但是不知道最精密的機器人牽涉到很複雜的機械設計。機械工業中有很多看上去是舊的技術，研磨就是一個例子。小學生都知道，要有一個很平滑的木板，要用砂紙。很多精密機械的零組件都要經過研磨，研磨就牽涉了研磨液，研磨液是一個特用化學品，也不是我們國家非常重視的產業。

我在此誠懇地呼籲教育界不能過分地強調創新，而要讓莘莘學子知道很多舊學問和舊技術的重要性。好的教育絕對要使學生知道工業界的真實面目，教授們也要走出象牙塔，多多向工業界學習。教授們最大的優點是擁有很好的學問，但是希望教授們知道，要將理論化為實際，絕非易事，除了理論以外，很多技術上的細節都是相當重要的。

我更希望官員不要再提傳統產業這名詞，很多傳統產業是高科技產業。我們更不能提夕陽工業這個名詞，我們應重視所有產業，要求所有產業都能提高附加價值。過分強調某種科技或產業，都可能使國家變成畸形的國家，非常危險。

紐約市一位護士說，他的病人因為新冠病毒而被送入加護病房，但在裝上呼吸器時說了一句話，”誰來買單?”這實在是很令人難過的事，美國有幾千萬人沒有健保。大家也許會問，這是什麼原因?在我看來，這是因為小政府主義的想法。

所謂小政府主義，用英文來說，就是”A good government is a small government.”意思是政府越不管事越好。這種想法在美國建國之初就有了，所以美國人認為擁槍自重乃是政府不該管的事。美國最好的大學都是私立的，中小學也是，這都是因為美國人認為政府不要管太多的事。

我在美國工作的時候，有一位同仁就是絕對的小政府主義者，他沒有任何種族偏見，但是他堅決主張餐館、旅館、戲院等等，都可以有權拒絕黑人進入。他認為海灘也可以是私人的，要到海灘游泳必須付錢。最不可思議的是，他認為人行道也可以由私人經營，如果你要散步，你就要帶很多零錢，走幾步就要付一點錢，回家也是。我們從來不問這位先生一個問題，那就是他念過的學校是公立還是私立的。他並不是出生在富有的家庭，所念的學校都是公立的。關於這一點，我們都知道他是無法解釋的。千萬要知道，這位先生絕對不是自私的人，他就是有一點走火入魔。我記得一件怪事，那就是他從不跟人開玩笑，講話永遠一本正經，而且談話中，句子非常之長，所以你必須仔細地聽，因為動詞在後面。虧得我英文好得不得了，聽得懂他在說什麼。我這一輩子沒有碰過第二個人談話時有長句子的。

小政府主義使得槍枝不得管制，醫藥保險也多半是私人的，保險公司在這方面是大賺其錢。2008年金融危機時，布希總統拒絕救雷曼兄弟銀行，但是卻一定要救AIG保險公司，因為如果AIG破產，受害的人不計其數。

可是美國有幾千萬人沒有健保，這些人平常的健康當然就成了問題。在先進國家中，美國是唯一一個沒有全民健保的，歐巴馬總統所成立的健保也不能算是全民健保，但是總比沒有好。川普一向猛力地批評歐巴馬健保，這次危機來了，大家才發現全民健保的重要性。

我們都知道，林肯總統說美國是一個民有、民治、民享的國家。我曾經在美國的國家衛生研究院工作過，美國的醫學研究的確是領先全世界的，可是並不是全國人民都能夠享受到美國的醫學研究。民有、民治、民享只是口號而已。

很多人認為這次危機以後，美國會有很大的改變，我當然也希望如此。可是小政府主義已經深入民心，而且美國很多人根本不知道何謂全民健保，他們常常認為美國的做法永遠是對的，所以我對此實在有點悲觀。

拙作<從28篇經典演說學思考>中，很詳細地介紹了小政府主義，可惜這本書已經絕版了。其實這本書是很好看的。

經濟部 4/21/2020 工業 , 名家論

我們是一個很重視半導體工業的國家，半導體工業有一個特色，那就是生產線上所用到的儀器種類特別多，而且都極為昂貴，動輒上億，售價高達幾十億的都有。這些昂貴的設備只有少數的國家會製造，這些國家也往往不生產半導體，可是他們掌握了製程的設備，可以予取予求，並且賺很多錢。

半導體設備開發以後，總需要在工廠內長時間的測試。一般的工廠是很難測試新設備的，因為這種設備必須要在生產線上測試，而生產線上生產得很順利，一旦用了一個新設備，萬一出問題，損失很大。

中國一直重視半導體設備的開發，他們有一個研發中心，專門測試自己開發的半導體製程設備。

這實在是非常好的做法，這個研究單位有完整的生產線，公司由很多企業和大學的研究單位合作，他們也購買了全世界所發展的最新設備。目前，這條生產線的設備國產化率到達1/4，這當然表示中國在半導體設備上仍然無法和歐美日相比，可是能有這樣的規模，應該是不錯了。

根據報導，中國在上海的那個研究中心顯然對於半導體工業是有非常徹底的了解。我們國家也有廠商在從事這類設備的開發，可是我們也必須承認，這種設備初次出廠以後，一定有很多的缺點，這些缺點必須經過測試以後才能慢慢去掉。如何幫助廠商測試，乃是國家的一個重要任務。

我們應該有很好的策略，使得我國在設備方面能夠更上一層樓。即使我們有了很好的自製設備，廠商都會面臨測試的問題，尤其現在看到中國對於測試設備顯然有很好的規劃，我們應該要提高警惕。

中國的做法顯示他們的設備廠商是受到政府鼓勵的，所謂鼓勵，不僅僅是在開發時有經費上的幫助，而且在開發完成後有拓展銷路的協助。政府不僅要幫助半導體製程設備的開發，對各行各業都應該有這種想法。除了科技產品認證的機制外，硬體和軟體都應該受到政府的認證，並且鼓勵國人使用這種經過測試的產品。

值得注意的是，韓國一直鼓勵廠商研究半導體製程所需要的設備，中國也一直做同樣的事。如果一個國家能夠有生產半導體的能力，但不能製造製程設備，而另外一個國家不僅會生產半導體，也有能力製造設備，可想而知的是，這個國家比較厲害得多。因為它的半導體製程可能用了非常特別的設備，這個設備是他們自己設計的，也可能不會賣到別處，它的製程也就會非常先進了。

在這次新冠肺炎的危機中，我們更應該知道世界貧富不均的情形。對肺炎重症者，我們需要加護病房，病人更需要呼吸器。我自己就被裝過呼吸器。但是非洲12億人口中，有多少呼吸器呢?

根據聯合國的統計，41個非洲國家向聯合國報告呼吸器的數目，加總起來不超過2000具。索馬利亞1具都沒有，中非共和國3具，南蘇丹4具，賴比瑞亞5具，奈及利亞的人口是美國的2/3，呼吸器卻少於100具。

雖然非洲國家都努力地向國外設法取得呼吸器，但大多數國家都只能自保。其實非洲根本缺乏醫生，整個非洲醫生的數目和人口是不成比例的，眾多的國家沒有醫學院，很多國家只有首都有一個醫院。一般人生病了，是靠巫醫來醫的。

非洲也有富人，在過去，他們生病都是坐飛機到外國就醫，這次危機使他們束手無策，因為大多數國家都不歡迎外國人進入。

我一直希望國人知道世界的真相，我們的媒體從來不願意報導非洲的新聞，好像非洲不存在似的。因此，我們國人也不太注意這個世界貧富不均的問題。我很希望大學生能夠翻翻我寫的書<人類面臨的重大問題>，我在書中盡我的力，強調人類貧困問題的複雜性。人類貧困問題的來源不是三言兩語可以解釋清楚的，也不是任何意識型態可以解釋的。