Zelfrijdende auto's, en zelfs auto's met rijstrookassistentie of andere supplementen, zijn sterk afhankelijk van computer vision en LIDAR om te lezen en te begrijpen wat er om hen heen is. Ze zijn er al beter in dan mensen, maar er komt binnenkort nog een stap die hen nog veiliger kan maken: wat als die auto's om de hoek zouden kunnen kijken?
"Zeggen dat je auto niet alleen kan zien wat ervoor staat, maar ook kan zien wat zich achter een bocht bevindt, en daarom intrinsiek veel veiliger is dan een door mensen bestuurde auto, kan heel belangrijk zijn", zegt Daniele Faccio, professor natuurkunde aan de Heriot-Watt University in Edinburgh, Schotland.
Afzonderlijk maar aanvullend onderzoek van de Universiteit van Wisconsin, MIT en Heriot-Watt pakt dit probleem aan en maakt grote stappen. Het is grotendeels gericht op supersnelle, overgevoelige camera's die de rebounds van verstrooid laserlicht aflezen en dat reconstrueren tot een soort beeld zoals LIDAR, radar en sonar.
Deze technologie is nuttig in toepassingen die veel verder gaan dan autonome voertuigen. Dat was niet eens de primaire motivatie toen Andreas Velten begon met het bestuderen van femtoseconde (een kwart miljard van een seconde) lasers aan de Universiteit van New Mexico, en vervolgens hun toepassing in beeldvorming bij MIT. Nu hebben een professor en assistent-wetenschapper aan de Universiteit van Wisconsin, Velten en zijn lab een camera ontwikkeld en gepatenteerd die een 3D-beeld van een object dat zich om een hoek bevindt kan reconstrueren.
Onderzoek is grotendeels gericht op supersnelle, overgevoelige camera's die de rebounds van verstrooid laserlicht aflezen en dat omzetten in een beeld. 
Deze camera's kunnen worden gebruikt voor verkenning op afstand, vooral in gevaarlijke gebieden, bijvoorbeeld om inzittenden in een gebouw te zien tijdens een woningbrand. (Met dank aan het Morgridge Institute for Research) 
Het kunnen evalueren van het interieur van een gebouw vóór het betreden heeft duidelijke voordelen. (Met dank aan het Morgridge Institute for Research) 
Het lab van Velten werkt aan het toepassen van de technologie om door de huid te kijken (die ook verstrooit), als een niet-invasief medisch diagnostisch hulpmiddel. (Met dank aan het Morgridge Institute for Research) 
Een camera die om hoeken kan kijken, heeft ook industriële toepassingen. (Met dank aan het Morgridge Institute for Research) Om het object te begrijpen, om het helemaal te zien, is een camera nodig die de doorgang van licht kan volgen. Een laser, gelegen op of nabij de camera, vuurt korte lichtstoten af. Elke keer dat die pakketten iets raken - zeg, een muur aan de andere kant van de hoek - verspreiden de fotonen die het licht in alle richtingen vormen. Als er genoeg van hen in voldoende verschillende richtingen stuiteren, komen sommigen terug naar de camera, nadat ze minstens drie keer zijn teruggekaatst.
“Het lijkt erg op de gegevens die LIDAR zou verzamelen, behalve dat LIDAR de eerste stuitering zou vinden die van het directe oppervlak komt en daar een 3D-afbeelding van maakt. We geven om de hogere orde die daarna komt, ”zegt Velten. “Elke sprong, de fotonen splitsen zich op. Elk foton bevat een uniek stukje informatie over de scène. '
Omdat het licht op verschillende momenten op verschillende oppervlakken terugkaatst, moet de camera worden uitgerust om het verschil te zien. Dit gebeurt door het exacte tijdstip vast te leggen waarop het foton een receptor raakt en de wegen te berekenen die het foton had kunnen nemen. Doe dit voor veel fotonen en een aantal verschillende hoeken van de laser en je krijgt een foto.
De techniek vereist ook een sensor genaamd een single-photon lawine diode, gebouwd op een siliciumchip. De SPAD, zoals het wordt genoemd, kan kleine hoeveelheden licht (enkele fotonen) registreren met een triljoen frames per seconde - dat is snel genoeg om het licht te zien bewegen.
"Ze werken als geigertellers voor fotonen", zegt Velten. “Telkens wanneer een foton een pixel op de detector raakt, stuurt het een impuls en dat wordt door de computer geregistreerd. Ze moeten snel genoeg zijn om elk foton afzonderlijk te kunnen tellen. '
Het lab van Faccio neemt een beetje een andere aanpak, met behulp van enkele van dezelfde technologie. Waar Velten's nieuwste in staat was om een 3D-beeld te tonen met een resolutie van ongeveer 10 centimeter (en een afname in grootte en kosten ten opzichte van vorige generaties), heeft Faccio zich gericht op het volgen van beweging. Hij gebruikt ook een SPAD-sensor, maar houdt de laser stationair en registreert minder gegevens, zodat hij het sneller kan doen. Hij krijgt beweging, maar kan niet veel vertellen over de vorm.
“Het zou ideaal zijn om beide te combineren, dat zou fantastisch zijn. Ik weet niet precies hoe ik dat nu moet doen, 'zegt Faccio. Beide moeten ook werken aan het gebruik van ooglasers met een lager vermogen. “Het echte doel is, zie je echte mensen op 50 meter afstand. Dat is wanneer het ding nuttig begint te worden. "
Andere mogelijke toepassingen zijn verkenning op afstand, met name van gevaarlijke gebieden, bijvoorbeeld om inzittenden in een gebouw te zien tijdens een woningbrand. Er is ook militaire interesse, zegt Faccio; het kunnen evalueren van het interieur van een gebouw vóór het betreden heeft duidelijke voordelen. Het lab van Velten werkt aan het toepassen van de technologie om door mist (die ook fotonen verstrooit), of door huid (die ook verstrooit) te kijken, als een niet-invasief medisch diagnostisch hulpmiddel. Hij spreekt zelfs met NASA over beeldvorming van grotten op de maan.
Samen met het Jet Propulsion Lab van NASA ontwikkelt het Velten-lab een voorstel om een satelliet met een krachtige versie van het apparaat in een baan om de maan te plaatsen. Terwijl het bepaalde kraters passeert, kan het zien of deze zich zijdelings uitstrekken tot in het binnenste van de maan; dergelijke grotten kunnen ooit een goede beschutting bieden voor maanbases, zegt Velten.
