目前，大部分光學成像系統都採用一個平面光學探測器在每個畫素上記錄來自物體反射的光強度。但是，由於這些系統僅在一個平面上檢測光，因此所有與光線方向有關的資訊都會丟失。這意味著平面光學探測器所記錄的影象，僅是實際3D物體的2D投影。

因此，大部分光學成像系統所捕捉的影象僅包含有限的景深，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後的物體均未聚焦，因而顯得模糊。另外，由於僅為實際物體的2D投影，因此無法確定每個物體與相機之間的準確距離。

一款理想化的成像系統可以在一次曝光中，通過對3D場景生成包含所有景深資訊的完整再現來解決這個問題。這樣的系統可以由不同的探測器陣列製成，每個探測器沿著不同入射光線的路徑堆疊。然後，通過同時探測多個焦平面的資料，利用演算法來重建場景的3D完整（“光場”）影象，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的距離。眾所周知，這種距離探測對於自動駕駛和機器人等應用非常有用。

由石墨烯製成的透明感測器堆疊

密歇根大學電氣工程與計算機科學系Zhaohui Zhong、Jeffrey Fessler和Theodore Norris領導的一支研究小組成功打造了一款這樣的光電探測器件。他們開發的這種新型3D相機採用由石墨烯製成的透明感測器堆疊（在可見光和近紅外波段具有出色的透光率），可以同時捕捉並聚焦離相機不同距離的物體影象。

研究人員用石墨烯製作光敏層、導電溝道層、柵極層甚至互連層（通常由金屬製成），在透明的玻璃基板（通常此類器件採用矽晶圓）上製造光電探測器。利用石墨烯製作光電探測器件的各種功能元件，實現了靈敏的光檢測，和大約95%的透明度。

為了驗證他們的設計，研究人員打造了一款單畫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的單畫素石墨烯光電探測器。測試物件是一個由30微米發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。

距離探測

當點光源遠離鏡頭時，在兩個石墨烯探測器上產生的影象都完全失焦。但是，當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，而在後探測器上仍完全失焦。研究人員解釋說：“隨著我們繼續將點光源向成像透鏡移動，影象強度在前探測器上逐漸減弱，而在後探測器上逐漸增強。在某個距離，測試物件會清晰地成像在後探測器上，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之間的距離。同樣，使用影象處理演算法，通過沿z軸的光強分佈，還可以計算場景的3D深度資訊。

儘管目前他們的石墨烯感測器還沒有足夠高的解析度來捕捉實際影象，但是，研究人員已經模擬了在他們的系統中如何排布更大的感測器陣列來捕捉場景（如下圖所示）。據研究人員稱，他們還開發了利用透明光電探測器堆疊資料進行此類影象重建所需要的演算法。

除了自動駕駛和機器人應用以外，這種新型光電探測器還能用於3D成像至關重要的生物成像應用。研究小組補充說，對於光學測距和物體識別領域的很多應用，並不需要對3D物體進行完全的計算重建，他們正朝著這個方向繼續深入研究。