CN110235381A - 方向回溯性准光学系统 - Google Patents

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CN110235381A CN201780074938.XA CN201780074938A CN110235381A CN 110235381 A CN110235381 A CN 110235381A CN 201780074938 A CN201780074938 A CN 201780074938A CN 110235381 A CN110235381 A CN 110235381A
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Abstract

本发明提出的方向回溯性准光学系统至少包括透镜组合与像素阵列。透镜组合位于像素阵列的一侧而且实时地在像素阵列的多数像素以及位于由透镜组合通过无限共轭或有限共轭所定义的可对应空间的一或多个对象之间建立一或多个方向回溯性空间通道。在像素阵列，多个像素排列成为阵列并且任一个像素是由至少一对的发射器天线与接收器天线所组成。为了保证任一个像素发射到可对应空间的电磁波可以被反射回到同一个像素的接收器，每一个像素的尺寸皆不大于由透镜组合所定义的点扩散斑点的尺寸，在此点扩散斑点的尺寸可以是源自于透镜的绕射或是像差。

Description

方向回溯性准光学系统
技术领域
本发明是有关于可以同时性地与分布在空间中多个对象(spatiallydistributed objects)互动的方向回溯性准光学系统(retro-directive quasi-opticalsystem)，特别地，提出的系统使用具有一或多个透镜的透镜组合建立空间通道(spacechannel)借以连结分布于空间中这些对象的每一个或部分的以及位于一像素阵列的一或多个像素，在此像素阵列的每一个像素都是由一或多个发射器(transmitter，Tx)天线与一或多个接收器(receiver，Rx)天线所组成。
背景技术
在现代，许多设备需要与分布于空间中多数对象的远程相互作用(remoteinteraction)借以实现一些应用。举例来说，借由使用相机，高分辨率影像(high-resolution)的远距侦测(remote detection)是社交媒体(social media)、人工智能系统(artificial-intelligence systems)、自驾车(self-driving cars)与安全工具(security tools)等等所必要的。无论如何，光不能穿透不透明障碍物(opaqueobstacles)也容易被雾和雨所散射，光也会被有纹理表面(textured surface)所散射或是被黑色物质所吸收，因此可能会引发非预期事件或甚至致命的意外。另一方面，传统的射频(radio-frequency，RF)技术可以解决上述的问题，但其典型的组件尺寸较大进而阻碍了射频技术在影像(imaging)、侦测(detection)与密集无线通信网络(dense wirelesscommunication networks)等等的广泛应用。近来，高频率毫米波(high-frequency mm-wave)技术与太赫兹(Tera-Hertz，THz)技术的快速进步使得体积(form factor)小的射频装置对分布于大空间中多数对象的同时性影像、侦测与通信变成实际可行的，进而低成本地解决了大多数与光波装置(light-wave apparatus)的相关问题。另一个例子，未来的无线基地台需要复杂的、密集的、与可接受使用者数量大幅增加的射频通信技术来追踪大量的可移动装置借以使得可移动装置与基地台间可以稳定地通信。无论如何，如此的复杂性不可避免地导致高功率耗损与高成本，进而给予射频通信装置提供者相当的压力。
到目前为止，对于一个本地装置(local device)与多数远距对象(remoteobjects)间电子式地(electronically)借由电磁波(electromagnetic，EM)相互作用有两种主要的候选解决方案:第一种是相位阵列系统(phased array system)而第二种是透镜影像阵列系统(lens-based image array system)。在此摘要地陈述相位阵列系统的运作原理如下:多数相位调整组件(phase-shifting elements)被安置成为一个阵列，并且每个组件的相位都被调整到使得由所有组件所发射的或所接收的所有电磁波(electromagnetic waves，EM waves)的相位被合成(synthesize)为一个聚焦的电磁波指向到(或接收自)一个特殊的方向。如此可以通过不同的空间通道(space channel)搜索(search)或传送(delivery)电磁波信号到有兴趣的远程对象(remote object)。接下来摘要地陈述透镜影像阵列系统的运作原理如下:一个透镜组合被放置在一个像素阵列的前面而且每一个像素包含一个电磁波接收器，使得任何来自某对象的电磁波可以被透镜组合所收集并且可以被位于透镜组合焦点平面(focal plane)上某特殊位置上的侦测器所处理。此外，透镜影像阵列系统的光学性质可以通过更换透镜组合的透镜来达成，亦即，具有不同视野角(field of views，FOV)及/或其它光学性质的不同透镜可以被独立地使用。
无论如何，所有目前可以使用的技术仍然都有明显的缺点。举例来说，相位阵列系统需要大量的能量持续地计算借以合成电磁波来进行波束引导(steering)与搜索(searching)，但这会导致计算时间与能量的浪费。附带地，当更改到需要较高载体频率(carrier frequency)的较高带宽(bandwidth)系统时，相位阵列技术的复杂度会随之增加，这是因为大量的高频组件(high-frequency components)，像是天线与相位调整器(phase shifter)，需要高度复杂的(sophisticated)控制方案(control scheme)和校正(calibration)，使得相位阵列技术的困难度随着频率增加而增加。更糟糕地，一般来说相位调整器不只增加控制用能量的消耗，也会引发额外的电磁波损失、非线性特性(包括能量与频率)以及噪声。另一方面，目前技术的透镜影像阵列系统只有聚焦反射自空间分布对象的电磁波并通过被动的透镜组合传达至焦点平面上不同位置，如同不需要任何主动组件与任何算法来进行波束引导的传统光波相机。请参考下列文献:P.F.Goldsmith,C.T.Hsieh，G.R.Huguenin,J.Kapitzky and E.L.Moore,“Focal Plane Imaging Systems forMillimeter Wavelengths”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,Vol.41,No.10,p.1664-1675(1993)。透镜聚焦性质也已经被应用在自驾车雷达的影像天线，其使用半球形透镜以及靠近其焦点平面的后端反射器来产生一个扫描式多波束辐射图案(scanning multibeam radiation pattern)，在此一个端射锥形槽天线阵列(endfiretapered slot antenna array)被放置在围绕此半球形透镜的一个圆弧(circular arc)内。请参考下列文献:B.Schoenlinner,and G.M.Rebeiz,“Compact Multibeam ImagingAntenna for Automotive Radars,”IEEE MTT-s Digest,p.1373-1376(2002)，以及US 7,994,996B2:“MULTIBEAM AMTENNA,”Inventors:Gabriel Rebeiz,James P.Ebling,andBemhard Schoenlineer。虽然所有的光波相机都并不需要任何的主动组件与算法则来引导波束，微波、毫米波与太赫兹的影像阵列系统一般都需要高功率能量来源(high-powersource)以获得足够的信噪比(signal to noise ratio)来获得接近光波相机等级的影像质量。近来，透镜聚焦性质也已经适用于波束空间(beam space)多重输入多重输出(multiple input multiple output，MIMO)通信，其包括由数个具有次波长图案、带通(bandpass)与频率选择的层状(laminated)且平坦表面以及位于这些表面上的数个相位调整器所形成的离散透镜阵列(discrete lens array，DLA)，借以构成一个在空间的信号空间维度(spatial signal space dimension)中具有天线(光圈)尺寸A的连续光圈相位(continuous-aperture-phased)人造(artificial)透镜系统。当p个天线系安装在焦点平面时天线(光圈)是耦合到p个收发器(transceiver)并且p远小于n，在此n＝4A/lambda2而lambda是运作频率的自由空间波长。借此多重输入多重输出算法可以控制与引导其所发射或接收的波束。但是透镜波束空间多重输入多重输出仍然需要大量的信号处理功率借以应付实际的点对点状况以及实际的单点对多点状况。请参考下列文献:US 8,811,511B2:“HYBRID ANALOG-DIGITAL PHASED MIMO TRANSCEIVER SYSTEM,”Inventors:AkbarM.Sayeed,Madision,WI(US)；Nader Behdad,Madison,WI(US)以及J.Brady,N.Behdad,andA.M.Sayeed,“Beamspace MIMO for Millmeter-wave Communications:SystemArchitecture,Modeling,Analysis,and Measurements”,IEEE Transactions ofAntennas and Propagation,Vol.61,No.7,p.3814-3827(2013)。
综上所述，有需要发展新的技术以提供有效的远程对象相互作用，像是影像、侦测、通信或其它的应用。
发明内容
本发明提出配置来与远程分布对象们相互作用的方向回溯性准光学系统。这个提出的系统具有快速切换、低成本、省电、弹性、高分辨率与更适用于在毫米波与太赫兹范围的高频率电磁波等等特征。
提出的方向回溯性准光学系统包含了至少一个透镜组合与一个像素阵列，在此透镜组合具有至少一或多个透镜而像素阵列具有一些像素，在此每一个像素是由至少两个天线所组成，其中一或多个天线是连接到一或多个发射器(Tx)而其它的天线是连接到一或多个接收器(Rx)，使得这两部分天线分别定义了电磁波被发射与被接收的位置。发射器包括了用以将电信号转变为输出电磁波的电路组件，而接收器包括了用以将输入电磁波转变为电信号的电路组件。发射器与接收器也可以包含其它的电路组件，像是发送器(emitter)、震荡器(oscillator)、侦测器(detector)、放大器(amplifier)、切换器(switcher)、过滤器(filter)、电磁波分离器(EM splitter)与电磁波结合器(EM combiner)等等，借以更有效率地产生或侦测电磁波。需要注意的是每一个像素的物理边界仅仅由其天线们的总尺寸所决定而与发射器和接受器无关，并且发射器与接收器都可以完全地或部分地位于像素的物理边界之内。透镜组合实时地创造出独特的共轭点，其是位于像素阵列中某特定像素以及位于由透镜组合所定义的可对应空间中远程分布对象相对应位置之间。请参考下列文献:W.Wetherell,“A focal systems,”Handbook of Optics,vol.2,p.2.2,2004。附带地，依照罗伦斯互易定理(Lorentz reciprocity theorem)，请参考下列文献:L.D.Landau andE.M.Lifshitz,“Electrodynamics of Continuous Media”,(Addisp-Wesley:Reading,MA,1960),p.288，激发电磁波的某特定像素与聚焦电磁波所在的远程对象两者间的关系，并不会因为交换了电磁波激发所在位置以及电磁波聚焦所在位置而发生改变的。也就是说，在所有成对的对象与像素之间一个唯一的并且方向可回溯的空间通道可以同时地被创造而不需要任何附加的计算或波合成技术。因此，与相位阵列或多重输入多重输出相比较，其移除了用以引导波束的主动控制与计算以及相对应的硬件与装置。借此，对于这些像素中的每一个，其所发出的电磁波可以被传输到位于由透镜组合所定义的可对应空间中的一个相对应位置，而且从对象位置所反射或所散射而来的电磁波抵达这个准光学透镜系统中发射此电磁波的相同像素，进而实现了所提出准光学透镜系统的方向回溯性的性质。附带地，可对应空间是由透镜组合的光学性质所定义的，像是视野角(Field-of-view)，甚至像是等效焦距(effective local length)及/或光圈值(f-number)。无论如何，这些透镜的尺寸是在几个波长到几百个波长的范围，从而提供一个准光学透镜系统。进一步地，其需要每一个像素的尺寸并不大于透镜组合的点扩散斑点尺寸，借以保证从每一个特定像素所发射的电磁波在被有兴趣的远程对象所散射或反射后可以再经过透镜组合并抵达位于焦点平面上位于有限的散开斑点尺寸内相同像素的接收器。点扩散斑点的尺寸可以源自于准光学透镜组合的绕射以及像差。
一般来说，透镜组合和像素阵列的设计与不同的应用有关。近距离时聚焦是重要的，如同典型的相机，像素阵列和透镜组合间的距离应该被优化。附带地，透镜组合可以变更替换以实现特殊的准光学性质像是视野角。此外，透镜组合尺寸、像素数量以及像素分布的考虑都与应用有关，但是典型的考虑是分辨率与成本间的取舍。更多地，每一个像素中的发射器与接收器都是可以在运作过程中的任何时间被开启或被关闭，而且发射器可以根据不同的可能状况或是仅为了节省能源而调整所产生电磁波的频率、偏振、相位及/或振幅。附带地，提出的准光学系统更适用于高频率电磁波，像是微波或是频率范围自10吉赫兹(GHz)到1太赫兹(THz)的太赫兹波。太赫兹波的波长小于毫米波波长。若一个透镜系统的聚焦平面的直径为10公分而且若其像素尺寸约当于其运作频率在自由空间的波长，这个透镜系统可以在这个直径平面上有对应到30吉赫兹的10个像素，对应到100吉赫兹的33个像素，对应到1太赫兹(1000吉赫兹)的333个像素，依此类推。当维持透镜系统的尺寸不变时，运作频率的增加将会增加对象影像的分辨率。相反地，当维持分辨率不变时(亦即相同像素数目)，透镜系统的尺寸是成比例于波长(或是反比例于频率)。特别地，随着近来稳定快速改善的制造能力以及超过太赫兹的最大晶体管单位增益频率是可以实现的，当像素尺寸小于点扩散尺寸时所提出的准光学系统可以运作在更高的电磁波频率。
附图说明
图1A摘要地描绘了本发明所提出的方向回溯性准光学系统的示意图，图1B与图1C摘要地描绘本发明所提出的方向回溯性准光学系统的两种变化的示意图。
图2A与图2B是显示本发明所提出的方向回溯性准光学系统的工作机制的两个示意图。
图3A摘要地描绘本发明所提出的方向回溯性准光学系统的一种特殊状况的示意图，而图3B摘要地描绘本发明所提出的方向回溯性准光学系统中像素阵列的像素的某些特殊设计的示意图。
图4A、图4B与图4C分别摘要地描述现有的相位阵列系统、现有的透镜影像阵列系统与本发明所提出的方向回溯性准光学系统的基础架构的示意图。
图5A和图5B是阐述本发明所提出方向回溯性准光学系统的运作方法的两个流程示意图。
图6摘要地描述本发明所提出系统的一个商业化应用的样例的示意图。
具体实施方式
本发明，如图1A所示，是有关于一个方向回溯性准光学系统100，其包括了至少一个透镜组合110与一个像素阵列120，在此以位于一个二维表面的一个二维阵列作为范例。像素阵列120决定了这个方向回溯性准光学系统的分辨率。透镜组合110具有一或多个透镜115而像素阵列120具有一些像素125，在此每个像素是由一或多个发射器(Tx)天线与一或多个接受器(Rx)天线所组成，这些天线定义了电磁波被发射与被接收的位置，而且每一个像素的物理尺寸是由发射器天线与接受器天线所围绕区域来定义的。一或多个发射器系连接到(这些)发射器天线并且将电信号转换为发射的电磁波，而且一或多个接受器系连接到(这些)接收器天线并且将入射的电磁波转换为电信号。另外，发射器与接收器可以包含其它的电路组件，像是发送器、震荡器、侦测器、放大器、切换器、过滤器、电磁分离器与电磁结合器等等，借以更有效率地产生或侦测电磁波或是借以满足其它目的像是系统层级控制(system-level controls)与信号处理(signal processing)。举例来说，这些电路组件可以有下列的基本形式:构成发射器的发送器及/或震荡器，以及构成接收器的切换器、放大器与侦测器。举例来说，这些电路组件可以包含一或多个电磁分离器及/或一或多个电磁结合器借以进一步调整发射的及/或接收的电磁波。需要注意的是发射器与接收器也可以是部分地或完全地位于由发射器天线与接收器天线所定义的像素边界的内部，甚至发射器与接收器两者可以完全地位于由发射器天线与接收器天线所定义的像素边界的外部。有两种范例的状况下像素仅仅包含发射器天线与接收器天线的像素是有利的:1)从像素移除本地的热量是重要的以及2)这些电路组件组合起来的尺寸大于需要的像素尺寸。此外，并不需要限制发射器(接收器)与发射器天线(接收器天线)间的连接。举例来说，每一个发射器与每一个接收器都可以连接到位于一个像素内的一或多个天线。附带地，每一个发射器天线与每一个接收器天线也都可以连接到一个像素的一或多个发射器与一或多个接收器。无论如何，图1A只显示一个样例，其中每一个像素有一个由发射器天线与发射器构成的组合与一个由接收器天线与接收器构成的组合。透镜组合110的光学性质，特别是视野角、等效焦距与光圈值，特征化了介于像素阵列120与由透镜组合110所定义的可对应空间之间多个方向回溯性空间通道。可对应空间是与像素阵列120位于透镜组合110相对的两侧。通过这种方式，可对应空间的每一部分皆一对一地通过无限共轭和有限共轭(聚焦在无限的和有限的距离)而对应到像素阵列120的某一像素。举例来说，被发送自第一特殊像素的电磁波可以经由透镜组合110被发射到(或视为被对应到)可对应空间(未显示在图1A的第一特殊部分。相同地，任何电磁波被发射、被反射或被散射自可对应空间的第二特殊部分的可以经由透镜组合110被接收到(或视为被对应到)第二特殊像素。因为这个对应是唯一的且双向的(bi-directional)，透镜组合110实时的(instantly)且同时地(simultaneously)在本地的(local)像素阵列与远程的可对应空间之间创造大量的方向回溯性空间通道。空间通道的数量等于像素的总数量。
透镜组合与像素阵列的几何关系是可以优化的，亦即提出的系统可以根据需要的规格(像是分辨率与波束宽度)来配置。如图1B与图1C所示，一些实施例可以有透镜驱动机构180借以移动及/或倾斜透镜组合110中至少一个透镜115，另一些实施例可以有像素驱动机构190借以移动及/或倾斜像阵列120中至少一个像素125。透镜驱动机构180与像素驱动机构190两者的细节并不需要限定。举例来说，马达(motors)、变速器(gearboxes)、滑动器(sliders)、致动器(actuators)、任何等效功能的机械组件或是这些机械组件的任何组合都可以使用。除此之外，透镜组合110的任一个透镜115与像素阵列120的任一个像素125皆可以被其它的透镜或其它的像素所取代、亦即像素阵列的空间定位(spatialorientation)(包括像素间距与它们的排列)以及透镜组合110的尺寸和形状可以被设计来符合特定应用所需要的分辨率与信噪比(signal-to-noise ratio)。
图2A是显示所提出方向回溯性准光学系统的工作机制的一个摘要图示。为了简化图标，只有一个一维线性像素阵列被显示。对于像素阵列200的每一个像素，由发射器天线202所发送的电磁波沿着一些用实线显示的途径被传输至对象210，而且自对象210被后向散射(back-scattered)或反射的电磁波沿着一些用虚线显示的途径被传输并抵达接收器天线203。也就是说，某个像素通过透镜定义的空间通道将电磁波送到对象210，而且同一个像素通过相同的空间通道接收后向散射的或反射的电磁波。所有不同的波传导途径会聚合(converge)在位于透镜组合220相对两端的两个共轭位置:对象210以及发射/接收电磁波的像素。与2B是显示所提出方向回溯性准光学系统的工作机制的另一个摘要图示。再一次地，为了简化图示只有一个一维线性像素阵列被显示。被放置在透镜组合220所定义的可对应空间中不同位置的两个对象250/260被同时地分别地沿着用实线与虚线表示的不同途径被对应到像素阵列200的不同像素280/270。通过这种方式，如果一个对象移动通过透镜组合220所定义的可对应空间的不同位置，借由使用像素阵列210的不同像素来在一个时间周期内连续地侦测这个移动的对象，这个移动对象的运动可以被有效率地监测。此外，如果只有部分的可对应空间必须要被侦测，只有相对应的像素必须启动借以节省电力
提出的方向回溯性准光学系统的材料与设计都是重要的。举例来说，透镜组合的每一个透镜可以是由玻璃、石英、塑料或是其它对于像素阵列所运作的电磁波波长是透明的其它材料所制成。附带地，在透镜组合是由一或多个透镜所组成时，每一个透镜可以是凸凸透镜、凸凹透镜、凹凹透镜、凹凸透镜、凸平透镜、凹平透镜、平凸透镜或平凹透镜。此外，每一个透镜也可以是一个平面式透镜借以减少厚度与重量，像是菲涅耳透镜(Fresnellens)。附带地，透镜组合可以还包含一或多个组件，像是可以偏折传输通过电磁波的光轴(optical axis)的反光镜(mirrors)，或像是可以聚焦电磁波的弯曲的聚焦反射器(curvedfocusing reflectors)，或像是其它可以聚焦电磁波的组件。当透镜组合是由两个或多个透镜所组成时，这些透镜通常是中心对齐(centered)并沿着透镜组合的光轴被放置排列。一般来说，像素阵列是被放置在或着接近于透镜组合的焦点平面借以优化形成在像素阵列的影像，但是像素阵列与透镜组合之间的距离是可以调整的借以优化其性能。附带地，像素阵列可以是一维阵列、二维阵列或甚至是三维阵列。像素阵列也可以是沿着曲线(curvilinear)线段或是弯曲表面被放置。
像素设计是重要的，借以使得在每一个像素的接收器可以接收到自相对应空间信道所对应的对象所传送、背向散射或反射来的能量。因此，一般来说，每一个像素的尺寸是等于或小于点扩散斑点的尺寸，借以包含聚焦在像素阵列并散开(spread)的电磁波的能量的大约百分九十(以高斯直径/Gaussian diameter定义)。点扩散斑点的尺寸不只是源自于透镜绕射(diffraction)也受到透镜像差(aberration)的影响。即使镜片像差可以通过设计而大幅度地减少，但因为绕射限制的点扩散斑点在自由空间中的尺寸仍然最少是半个波长。绕射可以视为是空间的频率过滤(spatial frequency filtering)，其阻挠了聚焦系统重建原始点来源的影像。电磁能量的扩散使得位于同一个像素的接收器天线与发射器天线之间可以有一个合理距离。需要注意的是不只发射器天线与接收器天线两者的细节是没有限制的，对于每一个像素来说这些发射器天线与这些接收器天线两者间的几何关系也是没有限制的。举例来说，在不同的实施例，对于每一个像素，或可以发射器天线围绕接收器天线，或可以接收器天线围绕发射器天线，或可以发射器天线与接收器天线是并排排列的，或可以发射器天线与接收器天线是相互重叠的，也或可以发射器天线与接收器天线是相互分离的。
在一个像素中的发射器天线与接收器天线皆可以被任意地配置以搭配受益于利用电磁波偏振(polarization)的种种应用。基于不同偏振性的相互作用提供了关于远程对象本质的有价值信息。附带地，建基于利用偏振编码的通信变得可行。为了实现这点，发射器天线与接收器天线都可以被设计来发送或接收垂直偏振或水平偏振的某一种。一个简单的自垂直偏振改变为水平偏振的方式是将天线转动90度。发射器与接收器在另一方面可以分别地通过切换器连接到发射器天线与接收器天线，借此使发射器与接收器独立地运作在不同的(或是这二种)偏振状态。
属于不同像素及/或相同像素的发射器与接收器都可以个别地被开启或被关闭。在提出的方向回溯性准光学系统被应用在只与可对应空间中一个特定部分相互作用的情境，只有对应到这个特定部分的像素必须被启用而其它部分的像素都可以被关闭。通过这种方式，提出的方向回溯性准光学系统的整体能量消耗可以显著地减少。除此之外，大量的发射器与大量的接收器可以通过一个由多数个切换器所组成的矩阵网络(matrixnetwork)动态地连接至多数个后端处理单元。换句话说，视实际的需要，多个可切换连接(switchable connection)可以在这些发射器/这些接收器以及后端处理单元间被动态地建立。
透镜组合的设计是重要的，借以为不同的应用提供需要的合适可对应空间。举例来说，如果提出的方向回溯性准光学系统系被应用来与分布在一个非常宽广区域的多数对象相互作用，透镜组合可以被设计成为具有宽阔的视野角，从大约90度到180度或是更大的角度。相对地，如果提出的方向回溯性准光学系统系被应用来与位于紧致空间中的一些对象相互作用，像是置于室内门厅的一些装置的通信，透镜组合的视野角可以被设计成为狭窄的以达成较高的分辨率。不同透镜组合的设计包含了改变至少一个透镜的材料及/或曲率。进一步地，为了达到最高的对比度(contrast)与锐利度(sharpness)，相似于望远镜及/或显微镜的应用，这个透镜组合的尺寸、等效焦距长度以及其它的光学性质都是可以设计的。
像素阵列的设计对于不同应用是重要的。举例来说，取决于分辨率的需求，像素的数量与分布方式都是可以仔细地选择。举例来说，借由让像素间距(pixel spacing)小于点扩散斑点的尺寸，亦即过度取样(oversampling)，可以确保最高分辨率。附带地，取决于电磁波的频率，不只每一个像素的尺寸与形状可以改变，而且相邻像素间的几何关系也是可以改变的。
不同像素所发送的电磁波可以被编码借以增加分辨率。因为在某些状况下像素阵列所发射及/或所接收的电磁波的点扩散斑点尺寸或是半波长可能大于像素尺寸，接收器可以使用发射器编码信息来识别是否所接收到的信号是由其相对应的发射器所发射。借由这个方式，一个较小的等效点扩散斑点尺寸可以达成，而且来自电磁波波长的限制条件可以被放宽。这是另一个可以让像素间距小于点扩散斑点尺寸是有价值的实施例。
附带地，借由个别地将不同像素所发送的电磁波予以编码，所有的多重途径信号(multipath signals)可以同时地被看到与被分析，这是因为编码机制提供了一个额外维度让每一个像素可以区别这些入射的信号。为了进一步阐述，一个仅显示一个一维像素阵列以求简单的运作样例被提出。如图3A所示，一开始由像素阵列300的像素310所发出的电磁被传播通过透镜组合350到达远程的对象360，这个远程对象360反射与背向散射撞击至其的电磁波而使得部分的散射电磁波回归到透镜组合350并聚焦在相同的像素310。无论如何，另外存在一个附带的波束途径可以将回响的(echoed)的信号回归到像素阵列300:远程对象360可以反射或散射来自像素310的电磁波到另一个物件370。一些被对象370所散射的电磁波可以传播通过透镜组合350并且实际上降落于一个不同的像素320，从而给予一个多重途径信号。这样的结果是借由处理在像素阵列300的不同像素所接收到的所有多重途径信号可以得到较高的总接收信号强度。再次，实线与虚线是用来分别地表示电磁波传播前往对象360的波束途径以及电磁波传播离开对象360的波束途径。这个样例显示了这些多重波束途径(虚线)是如何可以被看到与被分析。在一个所有像素同时地被启动的样例，来自所有对象的所有多重途径信号可能会对像素阵列300中所有接收信号的像素引发混淆。因此，如果应用电磁波编码，借由分析这些像素中每一个所接收到的已编码电磁波之后，有关于这些对象360/370的分布与相对位置或甚至更多的信息可以被精确地获取。
提出的方向回溯性准光学系统可以在像素阵列与透镜组合外还包括一些附加的装置。举例来说，为了执行零差侦测(homodyne detection)，在同一个像素内一部份的被发射信号与一部份的被接收信号系被由一个本地震荡器(local oscillator)所馈给(fed)的一对内部混合器(a pair of internal mixer)给锁定频率。举另一个例子来说，对于像素阵列的每一个像素来说，一个隔离屏障(isolation barrier)(像是由吸收性材料所制作的结构)可以被用来隔离发射器天线与接收器天线借以避免发出的电磁波直接耦合到接收器而没有传播通过透镜组合。相同地，插入在像素间的隔离屏障可以被用来阻碍发出的电磁波直接自一个像素耦合到其邻居。图3B摘要地描绘提出的方向回溯性准光学系统的像素阵列的像素的一些特殊设计，在此介于像素391、发射器天线392、接收器天线393与隔离屏障394间的一些可选择的几何关系被摘要地描绘。举例来说，对于至少一个像素391，由吸收材料所形成的隔离屏障394被放置在像素391的内部而使得像素391内部的发射器天线392与接收器天线393被隔离屏障394所分开。举例来说，对于至少一个像素391，由吸收材料所形成的隔离屏障394被沿着像素391的边界所放置而使得像素391的发射器天线392与接收器天线393两者被隔离屏障394所围绕。举例来说，对于至少一个像素391，由吸收材料所形成的隔离屏障394皆位于像素391内部并沿着像素391的边界所放置而使得像素391的发射器天线392和接收器天线393的任一者都被隔离屏障394所围绕。
提出的方向回溯性准光学系统可能需要一些附带的装置借以适当地运作。举例来说，像素阵列可以耦接到外部电路借以个别地控制发射器与接受器的开启和关闭或是借以处理接收的数据。外部电路的细节，像是像素阵列是如何耦接到这个外部电路，也是未被限制的。举例来说，像素阵列的这些像素可以通过可切换连接(switchable connection)耦接到外部电路借以独立地控制不同的像素。举例来说，外部电路也可以被接口(interface)到现场可程序化门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)、微控制芯片或微处理器芯片借以实现控制与数据采集。
需要注意的是提出的方向回溯性准光学系统的运作频率并没有被限制，因为电磁波的行为可以应用在任何的透镜系统。无论如何，提出的系统目前较适用于毫米波或太赫兹频率。说明如下:在低频率时，由于镜头尺寸受限于制造，点扩散斑点的尺寸主要是取决于绕射。如果频率太低，像是只有几个吉赫兹的射频电磁波，透镜会变得尺寸太大、太重与太贵。另一方面，在诸如可见光领域的非常高频率时，点扩散斑点的尺寸变的非常小并且使得要将光学雷射与侦测器制造到小于点扩散斑点尺寸会非常困难。虽然还是可以借由透镜像差的增加以放置一个雷射与一个侦测器，但也牺牲了使用光学的重要原因:分辨率。因此，提出的系统可以更合适于应用在大约10吉赫兹到750吉赫兹，或甚至10吉赫兹到1000吉赫兹，涵盖了大部分的毫米波(30到300吉赫兹)及/或大部分的太赫兹波(300吉赫兹到10太赫兹)的领域，这是因为毫米波与太赫兹波的点扩散斑点尺寸更接近地匹配于使用现有集成电路工艺所制造的像素的尺寸。请参考下列文献:“Compact Single-Chip W-Band FMCWRadar Modules for Commercial High-Resolution Sensor Applications,”IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques,Vol.50,No.12,p.2995-3001(2002),Wang et.al.demonstrated a 0.18micron CMOS 10GHz signal-chip FMCWsensor of chip size 0.011lambda2in 2009。请参考下列文献:“Design of X-Band RFCMOS Transceiver for FMCW Monopulse Radar,”IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques Vol.57,No.1,p.61-70(2009)。像素阵列的像素尺寸与透镜组合的透镜尺寸都可以增加或减少，不论是使用任何已知的、发展中的与将来出现的技术。因此，提出的方向回溯性准光学系统也可以适用在位于10吉赫兹到1000吉赫兹之外的其它电磁波，只要透镜与像素的尺寸都可以随着技术进展而增加或减少。
本发明的优势可以借由比较提出的方向回溯性准光学系统以及传统的相位阵列系统和传统的透镜影像阵列系统来显示。图4A、图4B与图4C分别地摘要描绘现有的相位阵列系统、现有的透镜影像阵列系统与提出的方向回溯性准光学系统。如图4A所示，不需要牺牲太多的能量传递，现有的相位阵列系统借由适当地调整阵列441的多个单元444的每一个发射中的发射器单元与每一个接收中的接收器单元的相位与振幅来产生一些双向波束(bi-directional beam)420以与这些对象410的一部分同时地作用。如图4B所示，现有的透镜影像阵列系统在透镜组合430与所有的这些对象410之间同时地形成一些单向的波束途径，而且阵列442具有的多数像素445中的每一个都仅仅具有接收器天线。如图4C所示，提出的方向回溯性准光学系统在透镜组合430与所有的对象410之间具有一些双向波束420(空间通道的数目取决于像素阵列中的像素数目)，而且阵列443的这些像素446的每一个都同时具有接收器天线与发射器天线。在这些图示，Tx与Rx这二个标签是用来标示分别地连接到发射器天线与接收器天线的发射器与接收器，而且介于透镜组合430与阵列441/442/443之间的波束途径都被省略借以简化图示。再次强调地是，这些系统具有的不同波束途径420具有不同的方向性，在现有的相位阵列系统与提出的方向回溯性准光学系统这些波束途径420在这些对象410与这些阵列441/443之间是双向的，但相反地在现有的透镜影像系统这些波束途径420在对象410与阵列442之间仅为从对象410到阵列442的单一方向。必须再次强调地，虽然提出的方向回溯性准光学系统与现有的相位阵列系统都提供了与远程对象间的双向相互作用，相位阵列系统并不能同时地与所有的远程对象相互作用。附带地，对于提出的发明，介于像素阵列与远程对象间的这些方向回溯性空间通道是由透镜组合同时地建立。也需要强调地是提出的方向回溯性准光学系统可以简单地重新配置。举例来说，当仅仅监测可对应空间的一特定部分时，只有对应到这个特殊部分的一些像素需要被启动。相对地，对于现有的相位阵列系统，所有的发射器与所有的接收器都需要被一起运作借以合成由所有的像素移动组件(phase shifting elements)449所发出的所有电磁波来将能量发射到特殊的位置。附带地，提出的方向回溯性准光学系统不需要为了合成从每一个发射器天线所发出的这些电磁波而需要额外的控制与计算的能量或造成延迟(delay)，而且提出的方向回溯性准光学系统的运作与实现是大幅度地简化。综上所述，提出的方向回溯性准光学系统节省了整体的能量耗损(没有计算与相位调整器的能量耗损也没有电磁波损失)，简化了运作(不需要大量的计算也减少了延迟(latency))并且容易实现(没有太多的校正负担(calibration effort)也不需要额外的用以相位调整的模拟电路)。当比较现有的透镜影像阵列系统与提出的方向回溯性准光学系统时，现有的透镜影像阵列仅具有一些接收器而没有任何发射器。因此，现有的透镜影像阵列只能被动地接收自这些对象发射而来的电磁波，并对于外界的能量来源仅有有限的控制。除此之外，提出的方向回溯性准光学系统可以主动地仅仅探索可对应空间的一部分并启动相对应的一些像素，但是现有的透镜影像系统需要外界的发射器与硬件做附加的对准与校正。这意味着提出的方向回溯性准光学系统不只可以主动地侦测这些远程对象，还可以使用较少的发射器总功率来侦测这些远程对象。提出的方向回溯性准光学系统可以有效率地使用能量来发出电磁波，开启了新的毫米波与太赫兹波应用，特别是因为一般来说，这些频率的电磁波能量来源是需要高能量和昂贵的。
图5A显示了提出的方向回溯性准光学系统的一般运作的流程示意图。一开始，如步骤501所示，提供一个透镜组合与一个像素阵列，在此透镜组合是由一或多个透镜所组成而像素阵列是由位于透镜组合一侧的多数像素所形成。其次，如步骤502所示，使用至少一个像素发射电磁波通过透镜组合而到达由透镜组合所定义的可对应空间的一特殊部分。然后，如步骤503所示，使用至少一个像素接收自这个特殊部分散射、反射或发射并经过透镜组合的电磁波，在此接收电磁波的一些像素可以等于或不同于发射电磁波的一些像素。图5B显示了运作提出的方向回溯性准光学系统的一种流程示意图。一开始，如步骤511所示，提供一个透镜组合与一个像素阵列，在此透镜组合是由一或多个透镜所组成而像素阵列是由位于透镜组合一侧的多数像素所形成。其次，如步骤512所示，使用像素阵列的第一部分来发射与接收第一电磁波借以与透镜组合所定义的可对应空间的第一部分相互作用，在此接收电磁波的一些像素可以等于或不同于发射电磁波的一些像素。然后，如步骤513所示，使用像素阵列的第二部份来发射与接收第二电磁波借以与透镜组合所定义的可对应空间的第二部分相互作用，在此接收电磁波的一些像素可以等于或不同于发射电磁波的一些像素。在此之后，重复上述步骤直到可对应空间的多数不同部分与像素阵列的多数不同部分相互作用，如步骤514所示。更多的例子陈述如下。为了在一个特定时刻远程侦测空间分布在可对应空间中的所有对象，所有的像素可以被同时地启动。为了识别是否一个小对象邻接于具有相似反射率的一个大对象，被对应到这个大对象及其附近的一些像素可以被重复地运作在不同的聚焦状态，像是借由改变像素阵列与透镜组合间的距离，借以通过比较多个获得影像来判定这个小对象的存在。为了追踪在一个时间周期内一个对象在可对应空间内的运动，在一个启始时刻发现了这个对象的位置之后，不同的像素可以依序被启动与运作借以在不同时刻获得这个对象的多数影像。为了在一段时间内与分布在透镜组合所定义的可对应空间中的多数装置持续地通信，只有对应到这些装置的一些像素必须在这段时间内持续地被运作。为了在一段时间内可以在任何时间任何位置发现出现在可对应空间的一些目标对象，所有的像素可以依照一个特殊顺序(像是依序地)被启动借以使得像素阵列可以依照一个特殊顺序与可对应空间中不同部分相互作用来追踪这些对象。
所提出发明的一个样例的商业应用是低功率与快速切换的无线基地台。这个无线基地台具有一或多个透镜(亦即透镜组合)借以将入射的电磁波聚焦到由多数像素构成的阵列(亦即像素阵列)，在此每一个像素(亦即每一个阵列组件)的尺寸约为无线基地台运作频率相对应波长的一半到一倍一样大并且包含了一对发射器天线与接收器天线。如图6所示，当运作在接收模式，两个手机601在不知道无线基地台602的位置信息时分别发出适当编码的射频电磁波以进行高速高容量可移动通信。为了简化，每一个空间通道都只描绘出一个射线(波束途径)。这些射频电磁波可以通过方向回溯性准光学系统沿视线(line ofslight)地或间接地(通过一或多个对象603的反射，亦即多重途径)抵达无线基地台602，在此实线与虚线分别地被用来表达这两种途径:沿视线(实线)与多重途径(虚线)。当这些多重途径射频电磁波抵达无线基地台的方向回溯性准光学系统时，透镜聚焦机制可以依据抵达透镜的角度来区别入射的多重途径的射频电磁波。在此，透镜组合691与像素阵列692被描绘来显示射频电磁波如何传播通过透镜组合691而抵达像素阵列692。从而，接收的射频电磁波信号强度指示器(receiving-RF-signal-strength-indicator，RSSI)启动，并且可以观察到相应于发射需要信号的手机端的四个像素阵列组件的苏醒。接着信号强度指示器的信号启动了发射器模块，其是相符合于位于相同像素阵列组件的相邻接收用天线。无线基地台然后发射信号其沿着入射的射频信号途径回溯，遵守着可逆性原理，进而几乎即刻地建立手机601与基地台602之间的信号交换(handshaking)。此外，当运作在广播模式，像素阵列692的所有发射器都开启并且发出广播信号到达需要覆盖区域的每个角落(或视为抵达由透镜集合691锁定义的可对应空间的所有部分)。当手机601接受邀请，其发出的回复所沿着的射频信号途径是与接收模式所描述的相似，然后基地台602立刻地知道谁自哪个位置回复这个广播而不需要执行搜索来发现手机601的位置。特别地，空间傅立叶变换定义了特殊的空间传播通道，并消除了在大规模的多重输出多重输入或相位阵列通信系统中需要密集计算的波束形成与波束导引，例如在为了信号整合需要较大的信号噪声比的区域，像素阵列692的这些发射器可以选择地发出较高的射频功率。此外，当手机601移动离开了这个区域而进入了由基地台602所照射的相邻区域，基地台602立刻知道手机601的移动方向并且切换到需要的发射器以无缝地重新连接通信。附带地，理论上，如此基地台可以支持的移动装置的数量是像素阵列组件的数目与每一个像素阵列组件可允许的移动装置的数目两者的乘积。附带地，超高速通信的本质主要依赖于射频电磁波信号强度指示器的启动延迟时间以及切换多重输入和多重输出所需要的时间，在模拟基频(baseband)或数字基频的形式。总切换时间在使用现代电子科技时是在小于1.0微秒(microsecond)。
显然地，依照上面实施例中的描绘，本发明可能有许多的修正与差异。因此需在其权利要求限定的范围内加以理解，除上述详细描绘外，本发明还可以广泛地在其它的实施例中施行。上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求所限定的范围内。

Claims (20)

1.一种方向回溯性准光学系统，其特征在于，包含:
透镜组合，由一或多个透镜所组成；以及
像素阵列，由一些像素所组成；
在此，所述像素阵列位于所述透镜组合的一侧；
在此，每一个所述像素是由一或多个发射器天线与一或多个接收器天线所组成。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含至少下列之一:
每一个所述发射器天线连接到一或多个发射器和每一个所述接收器天线连接到一或多个接收器；以及
每一个所述发射器连接到一或多个所述发射器天线和每一个所述接收器连接一或多个所述接收器天线。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含至少下列之一:
每一个所述像素的物理尺寸与边界是由其所有的一或多个所述发射器天线与一或多个所述接收器天线的组合区域所定义；
所述发射器和所述接收器完全地或部分地位于所述像素内；以及
所述发射器和所述接收器完全地位于所述像素外。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含至少下列之一:
每一个所述像素的尺寸是等于或小于传输通过所述透镜组合的电磁波的点扩散斑点尺寸；
每一个所述像素的一或多个所述发射器天线与一或多个所述接收器天线的组合的尺寸是等于或小于传输通过所述透镜组合的电磁波的点扩散斑点尺寸；
每一个所述像素的一或多个所述发射器天线、一或多个所述接收器天线、一或多个发射器和一或多个接收器的组合的尺寸是等于或小于传输通过所述透镜组合的电磁波的点扩散斑点尺寸；以及
每一个所述像素中一或多个所述接收器天线与一或多个所述发射器天线两者间的最大距离是不大于聚焦电磁波的点扩散斑点尺寸；
在此，点扩散斑点尺寸包含聚焦在所述像素阵列并散开的电磁波的百分九十的能量(以高斯直径定义)。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在此可对应空间是由所述透镜组合的一或多个光学性质所决定，在此一或多个光学性质是由从以下组成的群组中所选择的:视野角、等效焦距长度与光圈值。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，至少一个所述发射器可以调整所产生电磁波的频率、相位、偏振及/或幅度。
7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包含至少下列之一:
在同一个所述像素中的一或多个所述发射器天线与一或多个所述接收器天线可以被任意地配置借以配合受益于利用电磁波偏振的应用；
在同一个所述像素中的一或多个所述发射器天线与一或多个所述接收器天线可以被设计来发出或接收垂直偏振或水平偏振；
一或多个所述发射器天线和一或多个所述接收器天线的任一者可以被转动九十度；以及
所述发射器与所述接收器可以个别地通过多数切换器连接至一或多个所述发射器天线和一或多个所述接收器天线，其独立地使得一或多个所述发射器和一或多个所述接受器运作在不同的偏振状态。
8.根据权利要求2所述的系统，其特征自在于，还包含至少下列之一:
不同的一些所述像素所发出的电磁波可以被编码；
所述接收器可以使用所述发射器的编码信息来辨别是否接收到的一些信号是由其相对的所述发射器所发射；以及
不同的一些所述像素所发出的电磁波可以个别地被编码使得所有的多重途径信号可以被同时地看到与分析。
9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包含至少下列之一:
所述发射器与所述接收器分别地包含可以将电信号转换为输出电磁波的电路组件和将入射电磁波转换为电信号的电路组件；
所述电路组件包含过滤及/或放大电磁波的组件；
所述电路组件包含电磁分离器及/或电磁结合器；
在所述发射器的所述电路组件包含发射器及/或震荡器；以及
在接收器的所述电路组件包含侦测器及/或混和器。
10.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包含至少下列之一:
多数所述发射器与多数所述接收器通过一个由多数个切换器所组成的矩阵网络动态连接至多数个后端处理单元；
在相同所述像素的一或多个所述发射器与一或多个所述接收器是被由一个本地震荡器所馈给的一对内部混合器给锁定频率；以及
在相同所述像素的一部份发射的信号与一部份接收的信号是被由一个本地震荡器所馈给的一对内部混合器给混和而频率向下转变或频率向上转变所述信号。
11.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包含至少下列之一:
属于不同所述像素的多数不同所述发射器是独立地被开启或被关闭；
属于不同所述像素的多数不同所述接收器是独立地被开启或被关闭；
属于相同所述像素的多数所述发射器是独立地被开启或被关闭；以及
属于相同所述像素的多数所述接收器是独立地被开启或被关闭。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含至少下列之一:
所述透镜组合的至少一个所述透镜是凸凸透镜；
所述透镜组合的至少一个所述透镜是凹凹透镜；
所述透镜组合的至少一个所述透镜是凸凹透镜；
所述透镜组合的至少一个所述透镜是凹凸透镜；
所述透镜组合的至少一个所述透镜是凸平透镜；
所述透镜组合的至少一个所述透镜是凹平透镜；
所述透镜组合的至少一个所述透镜是平凸透镜；
所述透镜组合的至少一个所述透镜是平凹透镜；
所述透镜组合的至少一个所述透镜是菲涅耳透镜；
所述透镜组合的至少一个所述透镜是反光镜；
所述透镜组合的至少一个组件可以偏折传输通过的电磁波的光轴；
所述透镜组合的至少一个组件是弯曲的聚焦反射器；以及
所述透镜组合的至少一个组件可以聚焦电磁波。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含至少下列之一：
所述像素被排列成为一维阵列；
所述像素沿着一个曲线段被排列；
所述像素被排列成为二维阵列；
所述像素沿着一个弯曲表面被排列；
所述像素被排列成为三维阵列；以及
所述像素阵列的间距小于点扩散斑点的尺寸借以达到最高分辨率，在此点扩散斑点包含聚焦在所述像素阵列并散开的电磁波的百分九十的能量(以高斯直径定义)。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含至少下列之一:
由吸收性材料所形成的隔离屏障被沿着至少一个所述像素的边界被放置，相同所述像素的一或多个所述发射器天线与一或多个所述接收器天线被所述隔离屏障所围绕；
由吸收性材料所形成的所述隔离屏障被放置在至少一个所述像素的内部，相同所述像素的一或多个所述发射器天线与一或个所述多接收器天线是被所述隔离屏障所分隔；以及
由吸收性材料所形成的所述隔离屏障被放置在至少一个所述像素的内部并沿着其边界被放置，相同所述像素的一或多个所述发射器天线与一或多个所述接收器天线两者皆被所述隔离屏障所围绕。
15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含至少下列之一:
所述像素阵列是放置在或靠近于所述透镜组合的聚焦平面；
所述透镜组合是由沿着所述透镜组合的光轴所排列的两个或多个所述透镜所组成；
透镜驱动装置，其用以驱动或倾斜所述透镜组合的至少一个所述透镜；以及
像素驱动装置，其用以驱动或倾斜所述像素阵列的至少一个所述像素。
16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含至少下列之一:
所述像素阵列与所述透镜组合运作在十吉赫兹到七百五十吉赫兹；
所述像素阵列与所述透镜组合运作在十吉赫兹到一千吉赫兹；
所述像素阵列与所述透镜组合运作在毫米波或太赫兹波范围；以及
所述像素阵列与所述透镜组合运作的频率范围的波长等于或大于单一所述像素的所述发射器天线与所述接收器天线的组合尺寸。
17.一种运作如权利要求1所述的方向回溯性准光学系统的方法，其特征在于，包含:
提供透镜组合与像素阵列，在此所述透镜组合是由一或多个透镜所组成而所述像素阵列是由位于所述透镜组合一侧的一些像素所组成；
使用至少一个所述像素发射电磁波通过所述透镜组合而进入由所述透镜组合所定义的可对应空间的一部分；以及
使用至少一个所述像素接收自远程对象所散射、所反射或所发射并经过所述透镜组合而来的电磁波，在此接收所述电磁波的一些所述像素可以等于或不同于发射所述电磁波的一些所述像素。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包含至少下列之一:
所有的所述像素同时地开启借以在一特定时刻远程侦测空间分布在所述可对应空间的所有对象；以及
对应到一个大对象及其邻近区域的一些所述像素被重复地操作在不同的聚焦状态借以通过比较多数获得的影像来判定是否一个小对象邻接于所述大对象。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包含至少下列之一:
在一个启始时刻发现了一个对象的位置之后不同的一些所述像素可以依序被启动与运作以在不同时刻获得所述对象的多数影像来获得所述对象的轨迹，借以在一个时间周期内追踪所述对象在所述可对应空间内的运动；
只有对应到不同装置的一些所述像素必须在一段时间周期内持续地被运作，借以在这段时间周期内与分布在所述透镜组合所定义的所述可对应空间中的所述不同装置持续地通信；以及
所有的这些所述像素可以依照一个特殊顺序被启动借以使得所述像素阵列可以依照一个特殊顺序与所述可对应空间中不同部分相互作用，借以在一段时间周期内发现在任何时间任何位置出现在所述可对应空间的一些目标对象。
20.一种运作如权利要求1所述的方向回溯性准光学系统的方法，其特征在于，包含:
提供透镜组合与像素阵列，在此所述透镜组合是由一或多个透镜所组成而所述像素阵列是由位于所述透镜组合一侧的一些像素所组成；
使用所述像素阵列的第一部分发射与接收第一电磁波借以与可对应空间的第一部分相互作用，在此接收所述第一电磁波的一些所述像素可以等于或不同于发射所述第一电磁波的一些所述像素；
使用所述像素阵列的第二部分发射与接收第二电磁波借以与所述可对应空间的第二部分相互作用，在此接收所述第二电磁波的一些所述像素可以等于或不同于发射所述第二电磁波的一些所述像素；以及
重复上述步骤直到所述可对应空间的许多不同部分已经与所述像素阵列的许多不同部分相互作用。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9917628B2 (en) * 2015-01-16 2018-03-13 RF DSP Inc. Beamforming in a MU-MIMO wireless communication system with relays
US20230058418A1 (en) * 2017-09-20 2023-02-23 Look Dynamics, Inc. Sensor-display device
US10897286B2 (en) * 2017-12-11 2021-01-19 RF DSP Inc. Adaptive MU-MIMO beamforming
CN108990167B (zh) * 2018-07-11 2021-09-07 东南大学 一种机器学习辅助的大规模mimo下行用户调度方法
RU2695934C1 (ru) * 2018-11-13 2019-07-29 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Антенная решетка mimo с широким углом обзора
CN113270727B (zh) * 2020-02-14 2023-06-02 上海华为技术有限公司 一种天线装置
EP4165728A4 (en) * 2020-06-16 2024-03-13 Telefonaktiebolaget LM ERICSSON (PUBL) LENS ANTENNA, RADIO UNIT AND BASE STATION
CN112363157B (zh) * 2020-11-02 2023-02-28 上海玥煊科技有限公司 雷达信标和雷达测量系统
EP4256654A1 (en) * 2020-12-02 2023-10-11 Telefonaktiebolaget LM Ericsson (publ) Lens antenna, lens antenna array, radio device and method performed by radio device

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4806938A (en) * 1984-11-20 1989-02-21 Raytheon Company Integrated self-adaptive array repeater and electronically steered directional transponder
CN1128586A (zh) * 1993-06-25 1996-08-07 英国国防部 辐射传感器
EP1835309A1 (en) * 2003-09-15 2007-09-19 Science and Technology Facilities Council Millimetre and sub-millimetre imaging device
CN101546016A (zh) * 2008-03-27 2009-09-30 索尼株式会社 获得方向性的方法和设备
CN101662076A (zh) * 2008-08-28 2010-03-03 阮树成 毫米波准光集成介质透镜天线及其阵列
US20150372029A1 (en) * 2013-11-14 2015-12-24 Novasolix, Inc. Low-power semi-reflective display
CN105281044A (zh) * 2015-09-12 2016-01-27 电子科技大学 一种毫米波高分辨率成像介质透镜天线设计方法
CN105890769A (zh) * 2016-04-05 2016-08-24 中国科学院紫金山天文台 太赫兹焦平面阵列及其设计方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3958246A (en) * 1974-07-05 1976-05-18 Calspan Corporation Circular retrodirective array
US5583511A (en) * 1995-06-06 1996-12-10 Hughes Missile Systems Company Stepped beam active array antenna and radar system employing same
US5767802A (en) * 1997-01-10 1998-06-16 Northrop Grumman Corporation IFF system including a low radar cross-section synthetic aperture radar (SAR)
US7994996B2 (en) 1999-11-18 2011-08-09 TK Holding Inc., Electronics Multi-beam antenna
US6404398B1 (en) * 2000-08-17 2002-06-11 Trw Inc. Indirect radiating array techniques
AU2003262960A1 (en) * 2002-09-20 2004-04-08 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc Front lens shutter mount for uniformity correction
US7440766B1 (en) * 2004-06-07 2008-10-21 University Of Hawaii Method for employing multipath propagation in wireless radio communications
US7019682B1 (en) * 2005-04-12 2006-03-28 Trex Enterprises Corp. Imaging millimeter wave radar system
US20120013517A1 (en) * 2010-06-14 2012-01-19 California Institute Of Technology Integrated lens antennas for multi-pixel receivers for planetary and astronomical instruments
US8811511B2 (en) 2010-09-28 2014-08-19 Wisconsin Alumni Research Foundation Hybrid analog-digital phased MIMO transceiver system
US8704887B2 (en) * 2010-12-02 2014-04-22 GM Global Technology Operations LLC Multi-object appearance-enhanced fusion of camera and range sensor data
US9212948B2 (en) * 2012-11-07 2015-12-15 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Lossless hyperspectral imaging
JP2017044527A (ja) * 2015-08-25 2017-03-02 株式会社日本自動車部品総合研究所 レーダ装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4806938A (en) * 1984-11-20 1989-02-21 Raytheon Company Integrated self-adaptive array repeater and electronically steered directional transponder
CN1128586A (zh) * 1993-06-25 1996-08-07 英国国防部 辐射传感器
EP1835309A1 (en) * 2003-09-15 2007-09-19 Science and Technology Facilities Council Millimetre and sub-millimetre imaging device
CN101546016A (zh) * 2008-03-27 2009-09-30 索尼株式会社 获得方向性的方法和设备
CN101662076A (zh) * 2008-08-28 2010-03-03 阮树成 毫米波准光集成介质透镜天线及其阵列
US20150372029A1 (en) * 2013-11-14 2015-12-24 Novasolix, Inc. Low-power semi-reflective display
CN105281044A (zh) * 2015-09-12 2016-01-27 电子科技大学 一种毫米波高分辨率成像介质透镜天线设计方法
CN105890769A (zh) * 2016-04-05 2016-08-24 中国科学院紫金山天文台 太赫兹焦平面阵列及其设计方法

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