Les voitures autonomes, et même les voitures utilisant une assistance de voie ou d'autres suppléments, dépendent fortement de la vision par ordinateur et du LIDAR pour lire et comprendre ce qui les entoure. Ils y sont déjà meilleurs que les humains, mais il y a une autre étape, à venir, qui pourrait les rendre encore plus sûrs: si ces voitures pouvaient voir dans les virages?
"Dire que votre voiture peut non seulement voir ce qu'il y a devant, mais aussi ce qui se cache derrière un virage, et est donc intrinsèquement plus sûr que n'importe quelle voiture conduite par l'homme, pourrait être extrêmement important", déclare Daniele Faccio, professeur à physique à l’Université Heriot-Watt d’Édimbourg, en Écosse.
Des recherches distinctes, mais complémentaires, émanant de l'Université du Wisconsin, du MIT et de Heriot-Watt s'attaquent à ce problème et progressent à grands pas. Il se concentre principalement sur des caméras ultra-rapides et ultra-sensibles qui lisent les rebonds de la lumière laser dispersée et les reconstituent en une sorte d’image de la manière dont le LIDAR, le radar et le sonar fonctionnent.
Cette technologie est utile dans des applications bien au-delà des véhicules autonomes. Ce n’était même pas la principale motivation lorsque Andreas Velten a commencé à étudier les lasers femtosecondes (un quadrillion de seconde) à l’Université du Nouveau-Mexique, puis leur application en imagerie au MIT. Devenu professeur et assistant scientifique à l'Université du Wisconsin, Velten et son laboratoire ont mis au point et breveté une caméra capable de reconstruire une image 3D d'un objet situé au détour d'un coin.
Les recherches sont principalement axées sur des caméras ultra-rapides et ultra sensibles qui lisent les rebonds de la lumière laser diffusée et les reconstruisent en une image. 
Ces caméras pourraient être utilisées pour l'exploration à distance, en particulier dans les zones dangereuses, par exemple pour voir les occupants à l'intérieur d'un bâtiment pendant l'incendie d'une maison. (Gracieuseté de l'Institut de recherche Morgridge) 
Pouvoir évaluer l'intérieur d'un bâtiment avant d'y entrer présente des avantages évidents. (Gracieuseté de l'Institut de recherche Morgridge) 
Le laboratoire de Velten travaille sur l'application de la technologie pour voir à travers la peau (qui se disperse également), en tant qu'outil de diagnostic médical non invasif. (Gracieuseté de l'Institut de recherche Morgridge) 
Une caméra qui peut voir dans les coins a également des applications industrielles. (Gracieuseté de l'Institut de recherche Morgridge) Pour donner un sens à l'objet, pour le voir, il faut une caméra capable de suivre le passage de la lumière. Un laser, situé sur ou à proximité de la caméra, déclenche de brefs éclats de lumière. Chaque fois que ces paquets heurtent quelque chose - par exemple un mur de l'autre côté du coin - les photons qui composent la dispersion de la lumière dans toutes les directions. Si suffisamment d'entre eux rebondissent dans suffisamment de directions différentes, certains reviendront à la caméra après avoir rebondi au moins trois fois.
«Cela ressemble beaucoup aux données que LIDAR collecterait, à la différence que LIDAR repérerait le premier rebond provenant de la surface directe et en ferait une image 3D. Nous nous soucions du rebond d'ordre supérieur qui vient après cela », déclare Velten. «À chaque rebond, les photons se séparent. Chaque photon contient une information unique sur la scène. ”
Comme la lumière rebondit sur différentes surfaces à différents moments, la caméra doit être en mesure de faire la différence. Pour ce faire, il enregistre l'heure exacte à laquelle le photon frappe un récepteur et calcule les trajets qu'il aurait pu prendre. Faites cela pour de nombreux photons et un certain nombre d'angles différents du laser et vous obtiendrez une image.
La technique nécessite également un capteur appelé diode à avalanche à photon unique, construit sur une puce de silicium. Le SPAD, comme on l'appelle, peut enregistrer de très petites quantités de lumière (photons uniques) à un billion d'images par seconde, ce qui est assez rapide pour voir la lumière bouger.
«Ils fonctionnent comme des compteurs Geiger pour les photons», explique Velten. «Chaque fois qu'un photon frappe un pixel sur le détecteur, il envoie une impulsion qui est enregistrée par l'ordinateur. Ils doivent être assez rapides pour pouvoir compter chaque photon individuellement. »
Le laboratoire de Faccio adopte une approche quelque peu différente, en utilisant certaines des mêmes technologies. Là où Velten a pu montrer une image 3D avec une résolution d’environ 10 centimètres (et une réduction de la taille et du coût par rapport aux générations précédentes), Faccio s’est concentré sur le suivi du mouvement. Lui aussi utilise un capteur SPAD, mais maintient le laser immobile et enregistre moins de données, afin qu'il puisse le faire plus rapidement. Il obtient le mouvement, mais ne peut pas en dire beaucoup sur la forme.
«L'idéal serait de combiner les deux, ce serait fantastique. Je ne sais pas comment faire cela maintenant », dit Faccio. Les deux doivent également travailler sur l'utilisation de lasers à faible consommation d'énergie et sans danger pour les yeux. «Le véritable objectif est de pouvoir voir de vraies personnes à 50 mètres. C'est à ce moment que la chose commence à devenir utile.
Parmi les autres utilisations possibles, on peut citer l'exploration à distance, en particulier dans les zones dangereuses, par exemple pour voir les occupants à l'intérieur d'un bâtiment lors d'un incendie. Il y a aussi un intérêt militaire, dit Faccio; pouvoir évaluer l'intérieur d'un bâtiment avant d'y entrer présente des avantages évidents. Le laboratoire de Velten travaille sur l'application de la technologie pour voir à travers le brouillard (qui disperse également les photons) ou la peau (qui diffuse également), en tant qu'outil de diagnostic médical non invasif. Il parle même avec la NASA de l'imagerie de cavernes sur la lune.
En collaboration avec le Jet Propulsion Lab de la NASA, le laboratoire Velten élabore une proposition visant à placer un satellite, contenant une version très puissante de l'appareil, en orbite autour de la lune. En passant devant certains cratères, il sera possible de savoir s’ils s’étendent latéralement à l’intérieur de la lune; De telles grottes pourraient fournir un bon abri, un jour, aux bases lunaires, dit Velten.
