Puce MEMS révolutionnaire : résolution LiDAR record, coûts réduits pour véhicules autonomes

Le LiDAR à état solide haute résolution utilisant un réseau de commutateurs MEMS réduira son coût pour égaler celui des caméras et systèmes radar bon marché basés sur puces — supprimant un obstacle majeur à l'adoption du LiDAR pour les véhicules autonomes.

Le défi du LiDAR actuel

Bien que les caméras et systèmes radar bon marché basés sur puces se soient généralisés pour l'évitement de collision et la conduite autonome sur autoroute, les systèmes de navigation LiDAR restent des dispositifs mécaniques encombrants coûtant des milliers de dollars.

Cela pourrait changer grâce à un nouveau type de puce LiDAR haute résolution développé par Ming Wu, professeur de génie électrique et informatique et co-directeur du Berkeley Sensor and Actuator Center à l'Université de Californie, Berkeley.

Architecture FPSA et commutateurs MEMS

Le LiDAR de Wu est basé sur un réseau de commutation de plan focal (FPSA), une matrice semi-conductrice d'antennes à l'échelle du micron qui capte la lumière comme les capteurs des appareils photo numériques. Sa résolution de 16 384 pixels peut ne pas sembler impressionnante comparée aux millions de pixels des smartphones, mais elle éclipse les 512 pixels ou moins trouvés sur les FPSA jusqu'à présent, a déclaré Wu.

Le design est évolutif vers des tailles mégapixels en utilisant la même technologie CMOS (complémentaire métal-oxyde-semiconducteur) utilisée pour produire les processeurs informatiques, a déclaré Wu. Cela pourrait mener à une nouvelle génération de capteurs 3D puissants et peu coûteux non seulement pour les voitures autonomes, mais aussi pour les drones, robots et smartphones.

Les systèmes LiDAR mécaniques utilisent des lasers pour visualiser des objets à des centaines de mètres, même dans l'obscurité. Ils génèrent également des cartes 3D avec une résolution suffisante pour que l'IA d'un véhicule distingue véhicules, vélos, piétons et autres obstacles.

Pourtant, mettre ces capacités sur une puce a bloqué les chercheurs pendant plus d'une décennie.

« Nous voulons illuminer une très grande zone », a dit Wu. « Mais si nous essayons de le faire, la lumière devient trop faible pour atteindre une distance suffisante. Donc, comme compromis de conception pour maintenir l'intensité lumineuse, nous réduisons la zone que nous illuminons avec notre lumière laser. »

Ce LiDAR consiste en une matrice FPSA de minuscules émetteurs optiques et de commutateurs MEMS qui s'allument et s'éteignent rapidement pour déplacer physiquement les guides d'onde d'une position à une autre, canalisant toute la puissance laser disponible à travers une seule antenne à la fois.

Les commutateurs MEMS sont une technologie connue utilisée pour router la lumière dans les réseaux de communication. C'est la première fois qu'ils sont appliqués au LiDAR. Comparés aux commutateurs thermo-optiques, ils sont beaucoup plus petits, consomment beaucoup moins d'énergie, commutent plus vite et ont des pertes de lumière très faibles.

Ils sont la raison pour laquelle Wu peut intégrer 16 384 pixels sur une puce de 1 cm². Lorsque le commutateur active un pixel, il émet un faisceau laser et capture la lumière réfléchie. Chaque pixel équivaut à 0,6 degré du champ de vision de 70 degrés du réseau. En parcourant rapidement le réseau, le FPSA de Wu construit une image 3D du monde environnant. En en montant plusieurs en configuration circulaire, on obtiendrait une vue à 360 degrés autour d'un véhicule.

Défis restants : résolution et portée

Wu doit augmenter la résolution et la portée du FPSA avant que son système ne soit prêt pour la commercialisation. « Bien que les antennes optiques soient difficiles à rendre plus petites, les commutateurs restent les plus gros composants, et nous pensons pouvoir les rendre beaucoup plus petits », a-t-il dit.

Il doit également augmenter la portée du système, qui n'est que de 10 mètres. « Nous sommes certains de pouvoir atteindre 100 mètres et croyons pouvoir atteindre 300 mètres avec des améliorations continues », a déclaré Wu.

S'il y parvient, la technologie de production CMOS conventionnelle promet de rendre le LiDAR de taille de puce peu coûteux partie de notre avenir.

« Regardez simplement comment nous utilisons les caméras », a dit Wu. « Elles sont intégrées dans les véhicules, robots, aspirateurs, équipements de surveillance, biométrie et portes. Il y aura tellement plus d'applications potentielles une fois que nous aurons réduit le LiDAR à la taille d'une caméra de smartphone. »