Les familles de LiDAR : mechanical spinning, solid-state, semi-solid-state, FMCW et hemispherical
Un guide technique complet des différentes architectures LiDAR — du spinning mécanique au FMCW — avec leurs principes de fonctionnement, avantages, limites et un tableau comparatif.
Introduction : pourquoi existe-t-il différentes technologies LiDAR ?
Le LiDAR est devenu un composant essentiel de la perception autonome pour la robotique, les véhicules autonomes, la cartographie et l'industrie 4.0. Aucune architecture unique ne répond à tous les besoins : selon l'application, les exigences en FoV, portée, résolution, robustesse et coût varient considérablement. Cinq grandes familles technologiques ont émergé : spinning mécanique, solid-state (flash et OPA), semi-solid-state MEMS, FMCW et hemispherical.
1. Mechanical Spinning LiDAR
Le spinning mécanique est la technologie historique. Un module optique complet (lasers, photodétecteurs) est monté sur un rotor tournant à vitesse constante, offrant un FoV horizontal de 360°. Velodyne (aujourd'hui Ouster), Hesai et Ouster sont les leaders. Avantages : FoV 360°, haute densité de points, maturité maximale. Limites : pièces mobiles (usure), encombrement, coût élevé (1 000-8 000 $). Portée : 200-300 m. La durée de vie typique est de 5 000 à 10 000 heures.
2. Solid-State LiDAR (Flash et OPA)
Les LiDAR solid-state éliminent toute pièce mobile. Le flash LiDAR illumine la scène en une seule impulsion (VCSEL) captée par un capteur SPAD/CMOS. L'Optical Phased Array (OPA) utilise un réseau de nano-antennes sur puce photonique pour diriger le faisceau électroniquement. Avantages : aucune pièce mobile, compacité, potentiel de coût très bas. Limites : FoV limité (60-120° flash, 30-60° OPA), portée réduite (50-150 m). Maturité : TRL 7-8 pour le flash, TRL 4-6 pour l'OPA.
3. Semi-Solid-State / MEMS LiDAR
Le MEMS LiDAR conserve un seul élément mobile de très petite taille : un miroir micro-usiné de quelques mm de diamètre, actionné électrostatiquement. Livox (motif Lissajous non répétitif), Innoviz (InnovizOne/Two, adopté par BMW) et RoboSense (M1, leader mondial) sont les acteurs clés. Avantages : compact, robuste aux vibrations, portée 150-300 m, coût modéré (300-1 500 $). Limites : FoV limité à 90-120°, durée de vie finie du miroir (10 000-50 000 h).
4. FMCW LiDAR
Le FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) utilise un laser à fréquence modulée en continu. La distance est mesurée par interférence (hétérodynage) entre le signal émis et réfléchi. L'effet Doppler donne la vitesse radiale instantanée de chaque point. Aeva (Aeries II, contrat Daimler Truck) et Mobileye sont les leaders. Avantages décisifs : mesure de vitesse instantanée, immunité totale aux interférences, SNR amélioré de 10-20 dB. Limites : maturité faible (TRL 5-7), coût élevé.
5. Hemispherical LiDAR
Le LiDAR hemispherical maximise le FoV vertical (jusqu'à 105°) pour une couverture proche d'un hémisphère complet. Hesai JT128 (128 canaux, 105° verticaux) et Ouster OSDome (16 canaux, 90° verticaux) en sont les représentants. Idéal pour robots mobiles (AMR), drones et véhicules de livraison qui doivent détecter simultanément le sol et les obstacles hauts. Limites : portée plus courte (50-150 m), densité angulaire réduite en périphérie.
Tableau comparatif
Critères clés par technologie : Spinning → 360° FoV, 200-300 m, 1 000-8 000 $, TRL 9. Flash → 60-120° FoV, 50-150 m, 200-1 000 $, TRL 7-8. OPA → 30-60° FoV, 50-100 m, 100-500 $ potentiel, TRL 4-6. MEMS → 90-120° FoV, 150-300 m, 300-1 500 $, TRL 8-9. FMCW → 90-120° FoV, 150-300 m, 500-3 000 $, TRL 5-7. Hemispherical → 180-360° FoV, 50-150 m, 1 000-5 000 $, TRL 7-8.
Conclusion : comment choisir
Pour la cartographie extérieure : spinning mécanique (Hesai Pandar128, Ouster OS2). Pour l'automobile série : MEMS (RoboSense M1, InnovizTwo, Valeo Scala 3). Pour le premium level 4+ : FMCW (Aeva, Mobileye). Pour les AMR et robots mobiles : hemispherical (Hesai JT128, Ouster OSDome). Les architectures hybrides combinent plusieurs technologies. La tendance est à l'intégration sur puce photonique et la réduction des coûts par les volumes automobile.