據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)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(jī)，可以捕捉并同時(shí)聚焦離相機(jī)鏡頭不同距離的物體，或能用于生物成像、自動(dòng)駕駛以及機(jī)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(gè)平面光學(xué)探測器在每個(gè)像素上記錄來自物體反射的光強(qiáng)度。但是，由于這些系統(tǒng)僅在一個(gè)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(shí)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(jī)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(shí)際物體的2D投影，因此無法確定每個(gè)物體與相機(jī)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(gè)問題。這樣的系統(tǒng)可以由不同的探測器陣列制成，每個(gè)探測器沿著不同入射光線的路徑堆疊。然后，通過同時(shí)探測多個(gè)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(gè)物體都清晰聚焦。此外，還可以確定場景中每個(gè)物體到系統(tǒng)的距離。眾所周知，這種距離探測對于自動(dòng)駕駛和機(jī)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(jī)內(nèi)部的不同點(diǎn)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(jì)算機(jī)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(jī)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(shí)捕捉并聚焦離相機(jī)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(shí)現(xiàn)了靈敏的光檢測，和大約95%的透明度。

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

利用兩個(gè)相隔2毫米的單像素石墨烯光電探測器進(jìn)行深度測量的實(shí)驗(yàn)演示

距離探測

當(dāng)點(diǎn)光源遠(yuǎn)離鏡頭時(shí)，在兩個(gè)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(diǎn)光源向鏡頭移動(dòng)時(shí)，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(diǎn)光源向成像透鏡移動(dòng)，圖像強(qiáng)度在前探測器上逐漸減弱，而在后探測器上逐漸增強(qiáng)。在某個(gè)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?！?/p>

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(qiáng)分布，還可以計(jì)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(shí)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(jìn)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(dòng)駕駛和機(jī)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(bǔ)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(jìn)行完全的計(jì)算重建，他們正朝著這個(gè)方向繼續(xù)深入研究。