La technologie de Lidar digital de Ouster permet d’élever le niveau de performance et d’accessibilité de capteurs plus compacts pour répondre à de nouvelles attentes.

Le Lidar digital est créé avec pour objectif de consolider toutes les fonctionnalités importantes d’un capteur Lidar dans des semi-conducteurs fabriqués par un processus CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor, technologie de fabrication de composants électroniques) standard. Avec les approches traditionnelles telles que l’analogique, MEMS (Microelectromechanical systems, ou
Microsystème électromécanique) ou à base de photonique sur silicium, le ratio prix/performance n’est pas avantageux. De plus, les différentes difficultés liées à la fabrication de Lidars traditionnels (par exemple: augmenter la résolution de ces capteurs) nécessitent d’ajouter des pièces mécaniques dans les dispositifs. Ceux-ci deviennent alors moins compacts et plus fragiles. La technologie digitale a le potentiel de faire face à plusieurs de ces difficultés, lui permettant d’intervenir dans des domaines d’application plus larges à coût réduit.
Cet article a pour but d’apporter des connaissances sur les principes fondamentaux de la technologie digitale et sur les raisons pour lesquelles cette approche peut être le meilleur choix pour le futur du Lidar.

La technologie Lidar digital: qu’est-ce que c’est?

Tous les capteurs de Ouster sont construits à partir d’une même technologie de Lidar digitale: une simple architecture à double-puces qui remplace des composants séparés souvent trouvés dans le Lidar analogique traditionnel. Un système est consistué de trois technologies intégrées: deux puces, et un ensemble de micro-optiques.
Système-sur-puce (System-on-Chip, SoC) personnalisé, avec détecteurs à diode à avalanche à photon unique (Single Photon Avalanche Diode, ou SPAD)
Ensemble de lasers à émission de surface à cavité verticale (vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)
Système micro-optique breveté

Les VCSELs et SPADs sont largement déployés dans les smartphones, (pour le FaceID des iPhones, par exemple). Ces technologies sont peu coûteuses, aisément produites en masse, et fiables. Les VCSELs et SPADs ont cependant présenté des performances médiocres dans leurs premières utilisations pour la technologie du Lidar. Malgré cela, Ouster a choisi de miser sur le développement de ce type d’approche, et grâce à une nouvelle technologie brevetée de micro-optiques plus efficaces, Ouster a fait de grandes avancées. Ces avancées, associées à de grands progrès pour les VCSELs et SPADs ont abouti à des capteurs abordables, hautement fiables, possédant la plus haute résolution disponible et une portée de plus de 200 mètres. De plus, ces nouveaux capteurs de Ouster continueront d’être améliorés au fil des prochaines années.

Système-sur-puce (SoC) personnalisé avec détecteurs SPADs

Ce système-sur-puce, ou SoC, est développé en interne et produit en masse par un processus CMOS standard. Le SoC compte plus d’un trillion de photons par seconde avec un débit digital natif (1s et 0s, selon la détection ou non d’un photon), et contrôle la logique et le traitement du signal du capteur.

Pousser la performance VCSEL jusqu’à ses limites

Le deuxième composant essentiel d’un capteur de Lidar digital est un ensemble de VCSELs. Ouster utilise les VCSELs car ces derniers sont plus petits, légers, durables et moins chers que des lasers de type edge (edge emitting lasers, EELs) présents dans les dispositifs Lidar analogiques. Le principal avantage physique et économique de la technologie VCSEL es

t la capacité à regrouper de nombreux lasers dans un ensemble très dense. L’ensemble de VCSELs sur les capteurs actuels de Ouster regroupe 128 faisceaux lasers dans un espace de la taille d’un grain de riz. Il est aussi important de noter que le coût des VCSELs n’augmente pas linéairement avec chaque laser additionnel. Cette densité offre aujourd’hui une haute-résolution et un prix bas dans un petit format, avec l’opportunité d’augmenter la résolution sans agrandir les capteurs.

Pousser la performance grâce aux micro-optiques

Les micro-optiques brevetées, troisième composant, accroissent à la fois la performance des émetteurs et des capteurs. Pour faire simple, de la même manière que nous sommes accoutumés aux caméras DSLR, différentes lentilles nous permettent de faire usage de composants de détections simples et de changer les lentilles pour adapter chaque produit à son usage. Les unités Ouster OS0 et OS1 partagent par exemple leurs composants de détection et leur format, mais possèdent des lentilles différentes. Grâce à cette simple adaptation, Ouster sont alors capables de réduire les coûts dans la chaîne d’approvisionnement tout en conservant plusieurs produits distincts qui répondent aux besoins divers de la clientèle.

Où est donc le problème du Lidar traditionnel ?

Des pièces en rotation

Contrairement à l’architecture simplifiée de Lidar digital de Ouster, un Lidar analogique contient des centaines de pièces distinctes, en faisant alors une architecture intrinsèquement complexe avec peu d’opportunités d’optimisation. Considérons qu’en créant un faisceau de résolution, il faut 1 circuit imprimé (PCB) émetteur, 1 laser à émission de bord, 1 driver laser, 1 PCB récepteur, 1 récepteur de photodiode à avalanche (avalanche photodiode, APD), 1 convertisseur AD, et une douzaine de pièces supplémentaires. Pour créer un capteur analogique fonctionnel, toutes ces pièces sont entassées dans un dispositif qui tourne à haute vitesse. Sans compter qu’un seul arrangement de ces pièces ne correspond qu’à un faisceau unique. Accroître la résolution, même jusqu’à 32 faisceaux, ne fait alors qu’empirer gravement le coût et la fragilité du dispositif, car cela nécessite d’ajouter de nombreux composants, et les potentiels risques techniques et mécaniques se multiplient. La complexe architecture analogique est le plus grand obstacle vers l’optimisation du Lidar.

Et les miroirs MEMS, alors ?

Une autre approche Lidar souvent observée dans le marché est l’usage de miroirs à microsystème électromécanique (MEMS), promettant une fiabilité accrue, mais faisant face à des problèmes de mise à l’échelle similaire à ceux du Lidar analogique. La promesse des miroirs MEMS est d’accroître la fiabilité grâce à l’usage de très petits miroirs qui guideront les faisceaux laser. Malheureusement, même les petits miroirs restent sujets aux vibrations et chocs.
Le plus grand problème des approches MEMS est l’optimisation des performances. Pour augmenter la résolution, les fabricants de MEMS doivent ajouter de nouveaux lasers à leur système Lidar. Dans le cas d’un très petit miroir, cet ajout est un vrai défi dû aux contraintes physiques. Autrement, la seule manière de continuer à augmenter la résolution est de dupliquer l’unité laser/MEMS dans son entièreté dans un système. Les fabricants de MEMS du marché prennent cette approche, mais le coût et la fiabilité en souffrent puisque le nombre de composants nécessaires s’élève avec la résolution.

Source: https://patents.google.com/patent/US10107915B2/

Pour résumer, la technologie de Lidar digital CMOS est la solution

Si le Lidar digital est créé dans l’optique de consolider toutes les fonctionnalités importantes d’un capteur Lidar dans des semi-conducteurs fabriqués par un processus CMOS standard, il est alors possible de positionner la technologie de Lidar sur une courbe d’amélioration de performance/prix inatteignable par la technologie de Lidar traditionnelle.
Utiliser des SPADs et VCSELs présente tous ces avantages de coût et de performance, mais ce n’est pas toujours une tâche simple.
Aujourd’hui, OS2 offre une portée de plus de 200 mètres, et continuera de s’améliorer de manière significative au fil du temps.
Avant tout, son prix, et les prix de tous les capteurs Ouster, diminueront simultanément. Ouster imagine un futur où les solutions offertes par Lidar sont omniprésentes, avec des capacités de perception 3D à haute performance accessibles pour toute industrie.

Les Lidar Ouster sont principalement utilisés pour:

• L’Infrastructure Intelligente (Smart City): pour construire des routes plus sûres, des cités plus durables: des capteurs Lidar à haute résolution associés à des logiciels éprouvés pour la détection et le suivi de véhicules, cyclistes et piétons.
• L’Industrie: des capteurs Lidar à haute résolution robustes, fiables et abordables pour assurer la sûreté et l’automation dans les industries minières, agricoles, de construction et de logistiques.
• Automobile: 128 faisceaux de résolution pour couvrir un véhicule de capteurs avec un angle de vue à 360° à courte, moyenne et longue portées et aller vers plus d’autonomie.
• Transport par camion: des capteurs à longue portée robustes, résistants aux chocs et vibrations pour survivre aux rigueurs de l’autonomie à haute vitesse.
• Robotique: des capteurs à angle de vue ultra-large 90° robustes certifiées IP69K, résistants aux chocs et vibrations pour assurer la fiabilité et l’efficacité des robots.