石墨烯又创新概念，透明光电探测器堆栈实现新型3D相机
2020-02-12 09:04:08 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

据麦姆斯咨询报道，美国密歇根大学（University of Michigan）研究人员开发了一种基于透明石墨烯光电探测器堆叠制成的新型3D相机，可以捕捉并同时聚焦离相机镜头不同距离的物体，或能用于生物成像、自动驾驶以及机器人等各种应用。

石墨烯又创新概念，透明光电探测器堆栈实现新型3D相机

目前，大部分光学成像系统都采用一个平面光学探测器在每个像素上记录来自物体反射的光强度。但是，由于这些系统仅在一个平面上检测光，因此所有与光线方向有关的信息都会丢失。这意味着平面光学探测器所记录的图像，仅是实际3D物体的2D投影。

因此，大部分光学成像系统所捕捉的图像仅包含有限的景深，亦即仅有距相机特定距离的物体会清晰聚焦，而在该距离之前或之后的物体均未聚焦，因而显得模糊。另外，由于仅为实际物体的2D投影，因此无法确定每个物体与相机之间的准确距离。

一款理想化的成像系统可以在一次曝光中，通过对3D场景生成包含所有景深信息的完整再现来解决这个问题。这样的系统可以由不同的探测器阵列制成，每个探测器沿着不同入射光线的路径堆叠。然后，通过同时探测多个焦平面的数据，利用算法来重建场景的3D完整（“光场”）图像，使场景中的每个物体都清晰聚焦。此外，还可以确定场景中每个物体到系统的距离。众所周知，这种距离探测对于自动驾驶和机器人等应用非常有用。

不同距离的物体（或物体的不同部分）可以在相机内部的不同点聚焦

由石墨烯制成的透明传感器堆栈

密歇根大学电气工程与计算机科学系Zhaohui Zhong、Jeffrey Fessler和Theodore Norris领导的一支研究小组成功打造了一款这样的光电探测器件。他们开发的这种新型3D相机采用由石墨烯制成的透明传感器堆栈（在可见光和近红外波段具有出色的透光率），可以同时捕捉并聚焦离相机不同距离的物体图像。

研究人员用石墨烯制作光敏层、导电沟道层、栅极层甚至互连层（通常由金属制成），在透明的玻璃基板（通常此类器件采用硅晶圆）上制造光电探测器。利用石墨烯制作光电探测器件的各种功能组件，实现了灵敏的光检测，和大约95%的透明度。

为了验证他们的设计，研究人员打造了一款单像素焦距堆叠光场相机（如下图所示），包括一个100毫米焦距的前成像透镜和两个相隔2 mm的单像素石墨烯光电探测器。测试对象是一个由30微米发光针孔形成的点光源。点光源、成像透镜中心以及两个石墨烯光电探测器，均沿同一光（z）轴对齐。

利用两个相隔2毫米的单像素石墨烯光电探测器进行深度测量的实验演示

距离探测

当点光源远离镜头时，在两个石墨烯探测器上产生的图像都完全失焦。但是，当研究人员将点光源向镜头移动时，它会逐渐完全聚焦在前探测器上，而在后探测器上仍完全失焦。研究人员解释说：“随着我们继续将点光源向成像透镜移动，图像强度在前探测器上逐渐减弱，而在后探测器上逐渐增强。在某个距离，测试对象会清晰地成像在后探测器上，而在前探测器上失焦。”

研究人员表示，通过明确透镜焦距和探测器的位置，可以确定物体与系统之间的距离。同样，使用图像处理算法，通过沿z轴的光强分布，还可以计算场景的3D深度信息。

尽管目前他们的石墨烯传感器还没有足够高的分辨率来捕捉实际图像，但是，研究人员已经模拟了在他们的系统中如何排布更大的传感器阵列来捕捉场景（如下图所示）。据研究人员称，他们还开发了利用透明光电探测器堆栈数据进行此类图像重建所需要的算法。

左图，前面的篮球清晰对焦；中图，书架处于对焦状态；右图，显示了重建光场数据的全聚焦图像