导读
最近，美国密歇根大学电子工程与计算机科学系的Zhaohui Zhong, JeffreyFessler和TheodoreB. Norris研究团队利用多层堆叠的透明石墨烯光电探测器制成了一种新型3D相机，可以对到镜头不同距离的物体进行聚焦和捕获，实现3D成像效果。这一新型设备在生物成像、无人驾驶、机器人技术等高尖端领域具有巨大的应用潜力。
图1. 3D相机实现原理：到镜头不同距离的物体会在相机内不同的点上对焦
研究背景
目前的大部分光学成像系统都是利用平面光学检测器记录从拍摄物体各个像素反射出来的光强度，但是这类系统只检测到了一个特定平面上的光信号，所有与光线方向相关的信息都损失掉了。这意味着它们捕获得到的照片只是真实的三维物体在二维平面上的投影。
传统相机捕获得到的图像有一个有限的景深，也就是说，只有在相机特定距离的物体是锐聚焦状态，这个距离前面或后面的物体都会因为失焦而显得模糊。更重要的是，在2D投影中无法确定每个物体离相机有多远。
一个理想的成像系统可以通过在一次曝光中产生一个无限景深的、完整的三维场景来克服这个问题。
这样的装置可以由不同的探测器阵列组成，每个探测器阵列沿着入射光线的路径堆叠；
通过同时检测多个焦平面的数据，可以利用算法在三维空间中重建场景的完整图像，且场景中的每个物体都是聚焦状态。
此外，还可以根据探测器的位置确定每个物体的距离。这种光学成像技术对无人驾驶汽车和机器人等应用具有极大的价值。
创新研究
近日，Zhaohui Zhong和Theodore B. Norris等人利用在可见和近红外区域具有良好透射率的石墨烯材料作为光电探测器，通过多个光电探测器的焦叠加制备出了光场成像系统，实现了对相机镜头不同距离处的物体图像同时捕获。
图2.焦叠加光场成像系统的概念设计：从一个物体发出的光线被镜头收集起来，聚焦在传统的二维探测器阵列上；并在几个中间位置放置多个2D传感器阵列，对不同距离物体的信号进行采集。
需要注意的是，为了保证每个光电探测器都能检测到足够强的信号，所使用的探测器应该能吸收一定的光信号进行成像，同时也要具有比较好的透明度，保证足够的光通过并到达最远的探测器。
图3.全石墨烯异质结光电探测器原理图：为了保证探测器整体的透明度，研究者在透明玻璃基板上，以透明石墨烯为主体制作成了如图所示的全石墨烯异质结光电探测器。
他们在透明玻璃基板(而不是通常用于此类设备的硅芯片)上制作了光电探测器，使用石墨烯作为光敏层、传导通道层、栅极层，甚至互连层(通常由金属制成)。以这种方式将石墨烯用于设备的所有功能部件，可保证高灵敏度的检测和95%左右的透明度。
图4.实际制作的光电探测器图像：探测器覆盖下的字体清晰可见，说明其透明度良好。
为了证明焦叠加光场成像的关键工作原理，特别是对特定焦平面进行切片或进行光学测距的能力，他们构造了一个单像素焦叠加光场相机。
此相机由一个100毫米的焦前成像透镜和两个相距2毫米的单像素石墨烯光电探测器组成。
测试对象是由一个30微米大小的发光针孔形成的点源。点光源、成像透镜中心和两个光电探测器均沿同一光轴（z方向）排列（如图5所示）。
利用上述设备，如果知道了透镜的焦距和探测器的位置，就可以确定物体到透镜的距离。同样地，通过采集z轴上的光强分布，就可以使用图像处理算法从数据中计算出场景的3D深度信息。
图6. 真实场景的光场重构：从左到右分别为最远、最近光探测器捕获的图像以及光场重构得到的全焦图像。左图中光探测器焦点在篮球上，后面的物体比较模糊；中间图光探测器焦点在桌子上，其他区域比较模糊；右图为重构全焦图像，所有的物体都在焦点上，清晰度都很高，体现了光场重构的优势所在。
接下来作者利用焦叠加光场成像技术对真实场景进行了光场重构。
采样场景距离镜头1.97-2.56米远，五个传感器阵列按照傅里叶采样设计原则进行排列，将收集得到的信息采用迭代算法进行光场重构（图6），重构结果与真实图像匹配良好。
值得一提的是，重构图像还能体现出多个视角的变化，一个直接的应用是进行多视角立体视觉成像（图7）。
图7. 焦叠加技术实现的计算重构
a.上图为全焦重构放大图，下图为物体的真实图像，二者具有良好的匹配度；
b.视角变化下的重构成像差异：从上到下分别为左侧视角图，中央视角图和右侧视角图；
c.通过不同视角图像重构得到的三维立体图像：上图由下面两幅图重构得到。
这项工作为实现具有不同焦平面探测器的新型单曝光成像系统开辟了新的途径。
随着二维材料质量、介电性质和界面缺陷控制以及其他类型二维半导体传感器的快速发展，单个传感器和光学系统(包括检测线性、光谱范围、动态范围和响应率)的性能都可以大大提高。
本工作仅仅代表了二维材料光学系统和光电子应用新领域的开始，它们的未来一定会更加光明。
该研究成果以“Ranging and light fieldimaging with transparent photodetectors”为题发表在了NaturePhotonics期刊上。
来源：中科院长春光机所 | Light学术出版中心
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0567-3
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除）。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
