LiDAR pour les systèmes automobiles et de mobilité

Le LiDAR (acronyme qui signifie Light Detection and Ranging) doit détecter rapidement et de manière fiable son environnement immédiat en rassemblant une image aussi détaillée que possible des environs immédiats et de la route. Loin devant : les systèmes installés qui roulent vite doivent pouvoir "voir" à une distance minimale de 150 mètres (environ 500 pieds) et détecter des objets aussi petits que 10 centimètres (environ 4 pouces) de hauteur.

Tout cela représente des défis techniques pour les capteurs des systèmes.

En effet, dans cette optique, il est nécessaire de disposer de systèmes de capteurs complémentaires mais indépendants, avec une sécurité fonctionnelle et une compatibilité environnementale garanties. Par exemple, les unités doivent supporter des températures de fonctionnement de -40 à +125 °C (-40 à 257 °F) pour accueillir à la fois le système de chauffage et la chaleur provenant des autres composants . Les capteurs doivent posséder un rapport signal sur bruit optimal, pour « voir » le signal à travers n’importe quel arrière-plan gênant. Et puisque les détecteurs optiques doivent être préparés pour traiter différents niveaux de lumière ambiante, les capteurs doivent avoir une large plage dynamique.

(Notez que le terme « détecteur » peut se rapporter uniquement à l’élément de détection photoélectrique tandis que le terme « capteur » comprend le détecteur et l’électronique adjacente qui fournit des fonctions telles que la connectivité. Le sens de ces termes est parfois interchangé.) 

À mesure que le secteur progresse, les concepteurs utilisent plusieurs technologies de capteurs différentes dans les systèmes de mobilité LiDAR. Chaque technologie a ses avantages et ses inconvénients, comme décrit ci-dessous.

Détecteurs à diode PIN en silicium

Ces détecteurs ont une structure avec 3 types de semi-conducteurs superposés : type P/intrinsèque/type N.

Ils présentent une bonne plage dynamique, avec la capacité de gérer des quantités de lumière très variables. Par exemple, ils peuvent détecter la réflexion d’un objet éloigné, même lorsqu’ils sont soumis à la lumière directe du soleil. Enfin, ils ne coûtent pas très cher.

Cependant, ils n'offrent pas les niveaux élevés de bande passante ou de performances signal-bruit requis par la plupart des systèmes LiDAR de mobilité modernes. Enfin, ils ne sont ni très sensibles, ni très rapides.

Photomultiplicateur en silicium (SiPM) et détecteurs de distance SPAD (Diode à avalanche à photon unique)

Ils ont initialement été développés pour de petites applications scientifiques et médicales spécialisées. Plus récemment, ils ont intégré le marché plus large du LiDAR.

Ces capteurs fonctionnent de la même manière que les APD (voir ci-dessous) tout en étant optimisés pour une amplification ou un gain interne très élevé(e), ce qui les rend capables de détecter les plus petites quantités de lumière. Ils sont également très rapides. Enfin, ils sont compatibles avec la technologie CMOS très répandue et peuvent donc être associés avec l’électronique associée sur la même puce.

Cependant, la sensibilité de leurs compteurs monophotoniques est beaucoup plus faible que celle des APD. Ils doivent donc s’appuyer sur une multiplication très élevée. Malheureusement, la multiplication ajoute du bruit qui dégrade souvent de manière significative le rapport signal/bruit. Leur mécanisme d’amplification est également sujet à de faux déclencheurs causés par des températures élevées. Peut-être l’inconvénient le plus sérieux de ces capteurs est le fait que leur gain élevé se fait au prix de problèmes de saturation.

Tout d'abord, les capteurs doivent traiter la lumière laser réfléchie par les objets situés devant eux. De plus, de nombreux systèmes LiDAR utilisent des scanners qui ont des larges champs de vision. Un capteur SIPM ou SPAD est donc soumis à une quantité supplémentaire assez importante de lumière. Par ailleurs, certains phénomènes couramment rencontrés dans les environnements de mobilité LiDAR (comme la lumière du soleil, les feux de route ou d’autres systèmes LiDAR) peuvent saturer le capteur avec des niveaux de lumière plus élevés que ceux qu’il peut gérer, même avec l’utilisation de filtres optiques. Alors que les travaux de développement se poursuivent pour compenser ces inconvénients, les capteurs sont souvent envisagés pour diverses applications LiDAR. Mais à ce jour, leurs problèmes de saturation et autres problèmes mentionnés ci-dessus les empêchent de devenir les détecteurs de choix pour scanner LiDAR longue portée.




 

Ces capteurs sont fréquemment utilisés à petite échelle dans les télécommunications à fibres de verre, mais sont nouveaux dans les systèmes LiDAR, sauf dans les applications militaires ou aérospatiales spécialisées. Cette technologie abandonne la construction conventionnelle en silicium pour l'alliage InGaAs.

Avec des systèmes laser spécialement conçus pour son spectre plus élevé (1550 nm, contre 905 nm pour les autres capteurs examinés ici), cette conception devrait être plus sensible et capable d'émettre plus de puissance. Elle peut donc permettre la mise en place d'un système LiDAR automobile ayant une plus grande portée que la plupart des autres capteurs.

Cependant, les performances du détecteur InGaAs peuvent être considérablement dégradées par des températures ambiantes légèrement supérieures à la normale. Le capteur peut avoir besoin d’un système de refroidissement externe, même dans les climats tempérés.

De plus, son matériau de base est nettement plus cher que les substrats en silicium largement utilisés. Enfin la fabrication de capteurs InGaAs de grandes tailles pour une utilisation dans les systèmes LiDAR serait beaucoup plus complexe que les conceptions en silicium. À ce jour, il n'a pas été possible de les fabriquer en gros volumes.

Enfin, cette technologie étant nouvelle dans le monde du LiDAR automobile, il faudrait que les fabricants d’équipements soient prêts à consacrer beaucoup de temps et d'argent pour développer un nouveau LiDAR autour d'un détecteur InGaAs.

Initialement conçus pour les applications industrielles et militaires, ces photodétecteurs en silicium fonctionnent en permettant aux photons entrants de déclencher une avalanche de charges, et en multipliant le gain par le mécanisme d’amplification interne. Leur structure permet d'optimiser l'absorption et de convertir au moins 80 % de la lumière 905 nm réfléchie par un laser en courant photoélectrique. Résultat : une sensibilité considérablement améliorée.

Outre leur sensibilité remarquable, les APD ont un rapport signal-bruit optimal, une saturation minimale et une très bonne vitesse. Ils sont également l'une des technologies de capteurs les moins chères disponibles

Inconvénient possible : les APD utilisent une technologie bipolaire spécifique qui n'est pas compatible avec la fabrication CMOS habituelle. Ils sont donc uniquement disponibles auprès d'un petit nombre de fournisseurs. De plus, ils ne peuvent pas être associés sur la même puce que celle de l'électronique CMOS associée.

Cependant, des fournisseurs expérimentés peuvent fabriquer des boîtiers avec capteur et électronique sur des puces étroitement adjacentes. Les deux peuvent être optimisés pour obtenir les meilleures performances de leur catégorie, sans compromis. Par exemple, un APD peut être complété par des amplificateurs à transimpédance (TIA) spécialement conçus (avec gains et bandes passantes personnalisés) pour convertir le photocourant en tension et pour conditionner le signal entrant dans le système pour un gain élevé. Cela peut optimiser les performances, en particulier quand la luminosité est faible.

Les APD sont produits par des techniques de fabrication commerciales bien établies, et ont fait leurs preuves dans une grande variété de systèmes déjà en circulation.

En résumé, s’ils sont bien faits, ils sont performants et peu onéreux. Actuellement, les détecteurs de choix pour le LiDAR automobile longue portée, les APD sont essentiels dans un certain nombre de systèmes de mobilité parmi les plus avancés.

Une fois la bonne technologie de capteur définie, les concepteurs de systèmes LiDAR se doivent de choisir le bon fournisseur de capteurs.

Les fournisseurs potentiels doivent être évalués avec soin. Ont-ils la technologie, la capacité et le savoir-faire nécessaires pour adapter leurs capteurs et systèmes aux marchés et aux exigences des OEM ? Travailleront-ils en étroite collaboration avec l’équipe des OEM sur la conception, la fabrication et la planification pour assurer un délai de mise sur le marché rapide ?

Si un fournisseur de capteurs doit passer du temps à faire en sorte que ses processus de développement,  de fabrication, de certification automobile et autres, soient à la hauteur, l'équipementier de mobilité LiDAR perdra la course à la mise sur le marché la plus rapide.

Les fournisseurs de capteurs acquièrent de l’expérience en accomplissant leurs tâches. Un bon candidat devra avoir déjà appliqué sa technologie de capteur/détecteur aux applications de mobilité. Cela peut comprendre la conception d’APD standard et personnalisée, mais aussi le développement et la fabrication de matrices, boîtiers et modules standard et personnalisés, ou encore une électronique de pointe.

Un fournisseur idéal aura fait ses preuves, avec des produits tels que les APD destinés à l'industrie automobile et des composants électroniques associés qui sont déjà utilisés par les principaux fabricants de LiDAR.

 

Les concepteurs doivent donner la priorité à un fournisseur présentant des avantages techniques pertinents, tels que le bruit le plus faible et la sensibilité la plus élevée. Mais ils doivent également rechercher un fabricant de capteurs qui conserve un contrôle global dans son domaine.

Tout le processus de production doit être mis en œuvre de manière cohérente, du traitement des puces à la préfabrication des capteurs. En fabriquant tous les composants principaux en interne, un fournisseur garantit la disponibilité à long terme de tous les produits OEM pour la production en série et les pièces de rechange.

Pour réussir en tant que fabricant de systèmes LiDAR, il faut obtenir le meilleur rapport coût/performance. Ce point peut aider à différencier un système donné du reste du marché. Les capteurs prêts à l’emploi pourraient bien ne pas faire l’affaire. En effet, les composants doivent souvent être personnalisés pour s'adapter précisément à un système donné.

Les fabricants de systèmes doivent trouver un fournisseur flexible et réactif. Dans de nombreux cas, un fournisseur doit travailler avec les concepteurs OEM pour personnaliser le capteur et les composants électroniques correspondants afin de les intégrer au mieux dans le système et, par conséquent, obtenir des performances optimales.

Exemples : l’équipe doit établir des géométries de capteurs qui correspondent à un choix donné de lentilles, optimiser les dimensions et s’adapter aux configurations de chaque conception optique unique. Elle doit déterminer le bon nombre de canaux (combien de signaux reçus en parallèle ?) afin d'optimiser la résolution spatiale du scanner. De plus, elle doit personnaliser l’ensemble pour avoir les interfaces les plus courtes possibles entre le capteur et l’électronique.

Enfin, un fournisseur de niveau supérieur doit fournir des capteurs possédant des avantages techniques évolués tels que l’homogénéité multipixels. Si les photodiodes ne sont pas homogènes et/ou proviennent de sources différentes, elles réagiront différemment aux températures ambiantes en situation réelle. Cela peut dégrader considérablement les performances du scanner LiDAR. En revanche, l’homogénéité multipixels permet d’obtenir la distribution des informations du signal la plus étroite possible, même aux distances de crête.

Un fournisseur de capteurs exceptionnel doit déjà connaître les « lois de la route ». Il doit connaître les dernières normes et réglementations en matière de certification automobile, validation de la robustesse et caractérisation.

Parmi les exemples, citons la production et les essais certifiés ISO/TS 16949, ainsi que les boîtiers APD certifiés AEC-Q 102 et 104 pour l'automobile. Le fournisseur doit savoir appliquer ces normes et d’autres normes pertinentes à tous ses composants et installations de fabrication, afin de respecter les réglementations et d'aider les OEM à éviter toute responsabilité.

Le renforcement de la réglementation est inévitable. Les fournisseurs doivent prouver leur conformité à l'aide d’exemples pratiques documentés, telles que l'auto-certification exigeante mise en place par Ford Motor Company dans le cadre de son programme Q.

Un fournisseur doit également démontrer qu'il a fait ses preuves en matière de qualité et de livraison, et qu'il dispose d'un solide niveau d'assistance, depuis la phase initiale de développement jusqu'au service de maintenance.

La conception du capteur doit être prise en compte dès le début de la création du système. Plus un OEM implique le fournisseur de capteurs en amont, plus tout le processus de conception/fabrication s'accélère et se simplifie, et plus le système LiDAR résultant est performant.

Enfin, un fournisseur doit toujours être à l'affût des développements futurs dans ce domaine qui est en constante évolution. Le fabricant de capteurs idéal disposera d'une feuille de route en matière d'innovation qui présentera les changements de réglementation, les développements commerciaux et technologiques à venir, afin d'aider les fabricants de systèmes à naviguer sur ce marché en plein essor.

Dr Marc Schillgalies, TE Connectivity

Paul Sharman, TE Connectivity