據(jù)麥姆斯咨詢報道，美國密歇根大學(xué)（University of Michigan）研究人員開發(fā)了一種基于透明石墨烯光電探測器堆疊制成的新型3D相機，可以捕捉并同時聚焦離相機鏡頭不同距離的物體，或能用于生物成像、自動駕駛以及機器人等各種應(yīng)用。

目前，大部分光學(xué)成像系統(tǒng)都采用一個平面光學(xué)探測器在每個像素上記錄來自物體反射的光強度。但是，由于這些系統(tǒng)僅在一個平面上檢測光，因此所有與光線方向有關(guān)的信息都會丟失。這意味著平面光學(xué)探測器所記錄的圖像，僅是實際3D物體的2D投影。

因此，大部分光學(xué)成像系統(tǒng)所捕捉的圖像僅包含有限的景深，亦即僅有距相機特定距離的物體會清晰聚焦，而在該距離之前或之后的物體均未聚焦，因而顯得模糊。另外，由于僅為實際物體的2D投影，因此無法確定每個物體與相機之間的準(zhǔn)確距離。

一款理想化的成像系統(tǒng)可以在一次曝光中，通過對3D場景生成包含所有景深信息的完整再現(xiàn)來解決這個問題。這樣的系統(tǒng)可以由不同的探測器陣列制成，每個探測器沿著不同入射光線的路徑堆疊。然后，通過同時探測多個焦平面的數(shù)據(jù)，利用算法來重建場景的3D完整（“光場”）圖像，使場景中的每個物體都清晰聚焦。此外，還可以確定場景中每個物體到系統(tǒng)的距離。眾所周知，這種距離探測對于自動駕駛和機器人等應(yīng)用非常有用。

不同距離的物體（或物體的不同部分）可以在相機內(nèi)部的不同點聚焦

由石墨烯制成的透明傳感器堆棧

密歇根大學(xué)電氣工程與計算機科學(xué)系Zhaohui Zhong、Jeffrey Fessler和Theodore Norris領(lǐng)導(dǎo)的一支研究小組成功打造了一款這樣的光電探測器件。他們開發(fā)的這種新型3D相機采用由石墨烯制成的透明傳感器堆棧（在可見光和近紅外波段具有出色的透光率），可以同時捕捉并聚焦離相機不同距離的物體圖像。

研究人員用石墨烯制作光敏層、導(dǎo)電溝道層、柵極層甚至互連層（通常由金屬制成），在透明的玻璃基板（通常此類器件采用硅晶圓）上制造光電探測器。利用石墨烯制作光電探測器件的各種功能組件，實現(xiàn)了靈敏的光檢測，和大約95%的透明度。

為了驗證他們的設(shè)計，研究人員打造了一款單像素焦距堆疊光場相機（如下圖所示），包括一個100毫米焦距的前成像透鏡和兩個相隔2 mm的單像素石墨烯光電探測器。測試對象是一個由30微米發(fā)光針孔形成的點光源。點光源、成像透鏡中心以及兩個石墨烯光電探測器，均沿同一光（z）軸對齊。

利用兩個相隔2毫米的單像素石墨烯光電探測器進行深度測量的實驗演示

距離探測

當(dāng)點光源遠離鏡頭時，在兩個石墨烯探測器上產(chǎn)生的圖像都完全失焦。但是，當(dāng)研究人員將點光源向鏡頭移動時，它會逐漸完全聚焦在前探測器上，而在后探測器上仍完全失焦。研究人員解釋說：“隨著我們繼續(xù)將點光源向成像透鏡移動，圖像強度在前探測器上逐漸減弱，而在后探測器上逐漸增強。在某個距離，測試對象會清晰地成像在后探測器上，而在前探測器上失焦。”

研究人員表示，通過明確透鏡焦距和探測器的位置，可以確定物體與系統(tǒng)之間的距離。同樣，使用圖像處理算法，通過沿z軸的光強分布，還可以計算場景的3D深度信息。

盡管目前他們的石墨烯傳感器還沒有足夠高的分辨率來捕捉實際圖像，但是，研究人員已經(jīng)模擬了在他們的系統(tǒng)中如何排布更大的傳感器陣列來捕捉場景（如下圖所示）。據(jù)研究人員稱，他們還開發(fā)了利用透明光電探測器堆棧數(shù)據(jù)進行此類圖像重建所需要的算法。

左圖，前面的籃球清晰對焦；中圖，書架處于對焦?fàn)顟B(tài)；右圖，顯示了重建光場數(shù)據(jù)的全聚焦圖像

除了自動駕駛和機器人應(yīng)用以外，這種新型光電探測器還能用于3D成像至關(guān)重要的生物成像應(yīng)用。研究小組補充說，對于光學(xué)測距和物體識別領(lǐng)域的很多應(yīng)用，并不需要對3D物體進行完全的計算重建，他們正朝著這個方向繼續(xù)深入研究。