KR20150042746A - 메타물질 디바이스들 및 이를 사용하는 방법들 - Google Patents

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KR20150042746A
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데이비드 알. 스미스
데이비드 브래디
탐 드리스콜
존 헌트
매튜 레이놀즈
다니엘 막스
알렉산더 므로잭
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듀크 유니버시티
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Abstract

메타물질 디바이스들 및 이를 사용하는 방법들이 개시된다. 일 양태에 따라, 전자기장 분포를 생성하기 위한 어퍼처는 공간적인 장 분포를 포함한다. 어퍼처는 또한 표준 특징들, 캡처된 데이터, 시계, 캡처된 데이터의 신호 대 잡음비, 캡처된 데이터의 해상도, 캡처된 데이터의 콘트라스트, 데이터 캡처 레이트, 및 캡처된 데이터의 품질의 세트를 갖는 행렬을 포함한다.

Description

메타물질 디바이스들 및 이를 사용하는 방법들{METAMATERIAL DEVICES AND METHODS OF USING THE SAME}
관련된 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은 전체가 참조로서 본 명세서에 통합된 제목이 METAMATERIAL DEVICES AND METHODS OF USING THE SAME인, 2013년 1월 17일 출원된 미국 가특허 출원번호 제 61/753,584 호 및 제목이 METAMATERIAL DEVICES AND METHODS OF USING THE SAME인 2012년 5월 9일 출원된 미국 가특허 출원번호 제 61/644,736 호의 이익을 주장한다.
기술분야
현재 개시된 주제는 메타물질들 (metamaterials) 에 관한 것이다. 보다 특히, 현재 개시된 주제는 메타물질 디바이스들 및 이의 사용 방법들에 관한 것이다.
무선 주파수 및 밀리미터 웨이브 (RF/㎜W) 이미징은 폭발물들, 무기들 및 밀수품의 인간 수송에 대한 비침투성 검사의 고 효율 컴포넌트로서 증명되었다. 그러나, 고 자본 및 동작 비용들; 단순한 대응책들에 대한 취약성; 어두움 (obscuration) 및 대상의 자세로 인한 이미지 결함들 및 제한된 해상도; 및 타깃 특이성의 결핍으로 의해, 제 1 세대 스캐너들의 성능은 제한된다. 기계적으로 스캐닝된 트랜시버 어레이들의 사용은 큰 사이즈 및 고 비용뿐만 아니라 제한된 업데이트 레이트를 발생시킨다. 기계적으로 스캐닝된 어레이들은 완전히 전자적인 솔루션보다 본질적으로 높은 유지 비용의 센서들이다.
종래의 이미징 전략들은 컨포컬 (confocal) 설계 및 푸리에 설계로 분할될 수도 있다. 컨포컬 시스템은 타깃들을 포인트 단위로 (point-by-point) 스캔한다. 푸리에 시스템들은 포인트 단위로 주파수 공간을 스캔하기 위해 평면파 일루미네이션을 사용한다. 이 두 방법들은 모두 시간 및 장비 사용의 관점에서 매우 비효율적이다. 현대 이미징 전략들은 이미지 형성을 코딩 문제로 다루고, 여기서, 일루미네이션 및 샘플링 기하구조는 시간적 그리고 지리적 제한들 내에서 정보 전달을 최대화하도록 프로그래밍된다. 전술한 관점에서, 개선된 이미징 시스템들 및 기법들에 대한 수요가 있다.
본 개요는 이하의 상세한 설명에 더 기술된 간략화된 형태의 개념들의 선택을 도입하도록 제공된다. 본 개요는 청구된 주제의 핵심 특징들 또는 본질적인 특징들을 식별하도록 의도되지 않고, 청구된 주제의 범위를 제한하기 위해 사용되는 것으로 의도되지 않는다.
일반적으로, 본 명세서에 기술된 본 주제의 일 목적은 전자기장 분포를 생성하기 위해 어퍼처를 제공하는 것을 포함한다. 어퍼처는 공간적인 장 분포, 표준 특징들, 캡처된 데이터, 시계 (field of view), 캡처된 데이터의 신호 대 잡음비, 캡처된 데이터의 해상도, 캡처된 데이터의 콘트라스트, 데이터 캡처 레이트, 및 캡처된 데이터의 품질의 행렬을 포함한다.
본 주제의 일 실시예는 공간적인 장 분포가 주파수로 임의로 코딩되는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 공간적인 장 분포가 랜덤 필드들을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 공간적인 장 분포가 의사-랜덤 필드들을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 공간적인 장 분포가 웨이블릿 패턴들을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 또 다른 실시예는 공간적인 장 분포가 푸리에 패턴들을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 패널을 갖는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 패널이 평면 구조를 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 패널이 플렉서블 또는 컨포멀 구조를 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 패널이 이의 표면 상의 트래픽을 지원하기에 충분한 기계적으로 견고한 (robust) 구조를 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 또 다른 실시예는 패널이 건축적 엘리먼트 (architectural element) 상에 장착 또는 매달리도록 구성된 재료를 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 전자기장 분포가 재구성가능한, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 시계를 조정하도록 재구성가능한, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 해상도를 조정하도록 재구성가능한, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 캡처된 데이터의 품질을 동시에 감소시키거나 증가시키는 동안 데이터 캡처 레이트를 증가시키거나 감소시키는 특성을 조정하도록 재구성가능한, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 특성이 신호 대 잡음비를 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 특성이 캡처된 데이터의 임의의 베이스들의 해상도를 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 특성이 캡처된 데이터의 콘트라스트를 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 특성이 캡처된 데이터의 진정한 물리적 모델에 대한 분석적인 모델의 매칭을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 또 다른 실시예는 특성이 어퍼처의 행렬 특징들을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 행렬 특징들이 단수 값 스펙트럼 아래의 영역을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 행렬 특징들이 기준 일관성 (basis coherence) 을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 또 다른 실시예는 행렬 특징들이 서브공간 매칭 (subspace matching) 을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 설계된 수학적 어레이 팩터를 더 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 어레이 팩터가 주파수 다양성 (diversity) 수단을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 주파수 다양성 수단이 상기 어레이 요소들의 분산을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 주파수 다양성 수단이 상기 메타물질 트랜시버의 상기 신호 소스 내에서의 분산을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 어레이 팩터가 튜닝 파라미터들에 대한 비-콘볼루션 기반 포워드 모델링 (non-convolution based forward models) 수단을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 비-콘볼루션 기반 포워드 모델링 수단이 캡처된 데이터의 모드들의 과대-결정 세트 (over-determined set) 를 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 비-콘볼루션 기반 포워드 모델링 수단이 사이드-로브들 (side-lobes) 을 최대화하는 것을 포함하는 빔 패턴 다양성들을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 어레이 팩터가 주파수들에 걸친 에너지 분포 수단을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 에너지 분포 수단이 시계에 걸쳐 균일한 분포를 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 에너지 분포 수단이 임의의 코딩 스킴을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 임의의 코딩 스킴이 랜덤하게 분포된 장들을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 임의의 코딩 스킴이 의사랜덤하게 분포된 장들을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 임의의 코딩 스킴이 웨이블릿 패턴들을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 임의의 코딩 스킴이 푸리에 패턴들을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 또 다른 실시예는 임의의 코딩 스킴이 사인 함수들의 합을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 에너지 분포 수단이 시계 내에서 관심 있는 영역들에 우선적으로 집중하는 함수를 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 에너지 분포 수단이 시계 내에서의 적응성을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 적응성이 선택 빈도 서브세트를 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 적응성이 외부 튜닝 자극을 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 또 다른 실시예는 적응성이 과완성 신호 세트 (overcomplete signal set) 를 포함하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 적응성이 에너지 분포 수단들이 선형 주파수 변조 (LFM: linear frequency modulated) 범위로 잘 작동하는, 어퍼처를 포함하고, 이 어퍼처로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 명세서에 기술된 본 주제의 다른 목적은 신호들을 내보내고 (emit) 수신할 수 있는 메타물질 엘리먼트들의 어레이를 포함하는 안테나를 포함하고, 이 안테나로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 전자기장 분포가 메타물질 엘리먼트들의 어레이에 의해 생성되는, 상기한 바와 같은 어퍼처를 더 포함하는, 안테나를 포함하고, 이 안테나로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 메타물질 엘리먼트들이 전기적으로 재구성가능한, 안테나를 포함하고, 이 안테나로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 전기적 재구성이 블록들 또는 섹션들 내 또는 이의 확장에 걸친 연속하는 분포 내의 단위-셀 레벨 상에서 발생하는, 안테나를 포함하고, 이 안테나로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 메타물질 엘리먼트들의 어레이가 주파수 인코딩 수단을 포함하는, 안테나를 포함하고, 이 안테나로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 주파수 인코딩 수단이 주파수 분산 모드들을 포함하는, 안테나를 포함하고, 이 안테나로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 주파수 인코딩 수단이 단일 주파수 다양성을 포함하는, 안테나를 포함하고, 이 안테나로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 또 다른 실시예는 주파수 인코딩 수단이 백색화될 때 (whitened) 양호한 특성들을 갖는 행렬을 포함하는, 안테나를 포함하고, 이 안테나로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 메타물질 엘리먼트들이 실리콘 튜닝 쇼트키 다이오드들을 통해 튜닝가능한 엘리먼트들을 포함하여, 상기 전기적 재구성이 인에이블되는, 안테나를 포함하고, 이 안테나로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 또 다른 실시예는 메타물질 엘리먼트들이 실리콘 튜닝 PN 접합부들을 통해 튜닝가능한 엘리먼트들을 포함하여 상기 전기적 재구성이 인에이블되는, 안테나를 포함하고, 이 안테나로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 메타물질 어레이 엘리먼트들이 편광 선택에 유리한 엘리먼트 설계들을 포함하는, 안테나를 포함하고, 이 안테나로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 메타물질 어레이 엘리먼트들이 단위-셀 지향성에 유리한 엘리먼트 설계들을 포함하는, 안테나를 포함하고, 이 안테나로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 메타물질 엘리먼트들이 상보적인 메타물질 엘리먼트들인, 안테나를 포함하고, 이 안테나로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 목적은 신호 소스; 상기한 바와 같은 안테나; 및 신호 검출기를 포함하고, 신호 소스와 신호 검출기가 안테나가 동작가능하게 연결된, 메타물질 트랜시버를 포함하고, 이 메타물질 트랜시버로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 목적은 안테나로부터 멀티모드 신호를 내보내고 멀티모드 신호가 장면과 인카운터함 (encounter) 으로써 변환된 후에 변환된 신호를 수신하는 단계, 및 상기 장면의 이미지를 생성하기 위해 상기 변환된 신호를 해석하는 단계를 포함하는, 메타물질 트랜시버를 사용하여 이미징하는 방법을 포함하고, 이 방법으로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 건축적 엘리먼트 상 또는 내에 상기 메타물질 트랜시버를 위치시켜 객체들의 이미지들을 생성하는 단계를 더 포함하는, 이미징 방법을 포함하고, 이 방법으로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 객체들이 전달가능한, 이미징 방법을 포함하고, 이 방법으로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 장면이 전달 중인 하나 이상의 객체들을 포함하는, 이미징 방법을 포함하고, 이 방법으로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 트랜시버에 이미지 생성 레이트를 할당하는 단계를 더 포함하는, 이미징 방법을 포함하고, 이 방법으로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 하나 이상의 전달하는 객체들을 이미징하는 단계를 더 포함하는, 이미징 방법을 포함하고, 이 방법으로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 전달하는 객체들을 추적하는 단계를 더 포함하는, 이미징 방법을을 포함하고, 이 방법으로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 일 실시예는 추적된 전달하는 객체 정보를 사용하여 이미지 생성레이트를 동적으로 할당하는 단계를 더 포함하는, 이미징 방법을 포함하고, 이 방법으로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 메타물질 엘리먼트들의 어레이가 2차원 어레이인, 이미징 방법을 포함하고, 이 방법으로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 안테나가 압축 이미징을 위해 구성된, 이미징 방법을 포함하고, 이 방법으로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 실시예는 안테나가 다수의 멀티모드 이미징 기법들의 조합을 위해 구성된, 이미징 방법을 포함하고, 이 방법으로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 또 다른 실시에는 3번째 전 단락의 상기 안테나가 다대역 센싱을 위해 구성된, 이미징 방법을 포함하고, 이 방법으로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 다른 목적은 상보적인 메타물질 엘리먼트들의 2차원 어레이를 포함하는 메타물질 트랜시버로부터 멀티모드 신호를 내보내는 단계; 이미징될 장면과 인카운터함으로써 내보내진 멀티모드 신호를 변환하는 단계; 상기 메타물질 트랜시버에 의해 상기 변환된 신호를 수신하는 단계; 및 변환된 신호로부터 장면의 이미지를 생성하는 단계를 포함하는, 이미징 방법을 포함하고, 이 방법으로 구성되거나, 본질적으로 구성된다.
본 주제의 또 다른 목적은 본 명세서에 기술되고 예시된 모든 것을 포함하고, 이들로 구성되거나 본질적으로 구성된다.
전술한 개요 및 이하의 다양한 실시예들의 상세한 기술은 첨부된 도면들과 함께 판독될 때 보다 잘 이해된다. 예시를 목적으로, 예시적인 실시예들이 도시되지만, 현재 개시된 주제는 개시된 구체적인 방법들 및 수단들로 제한되지 않는다.
도 1은 오버코팅 아래의 메타물질 엘리먼트들을 강조한 삽화와 함께 플랫 패널 메타물질 안테나를 도시한 도면이다. 오버코팅은 안테나의 존재를 마스크하기 위해 사용될 수 있다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 메타물질 트랜시버-기반 촬상기들 (imagers) 이 안전을 목적으로 사람을 이미징하기 위해 사용될 수 있는 예시적인 장소를 도시하는 도면이다.
도 3은 상단부는 예시적인 벌크 메타물질 엘리먼트들 및 하단부는 이들의 보완물들을 도시한다.
도 4는 상단부는 평면 메타물질 도파관 및 하단부는 마이크로스트립 송신선을 도시하는 도면이다.
도 5는 주기적인 어레이-팩터: Aj(ω) 를 갖는 1차원 마이크로스트립 메타촬상기에 대한 예시적인 설계 및 원거리 필드 분포를 도시한다. 상단의 도면은 10 개의 주파수 구분 메타물질 공진기 엘리먼트들의 확산도이다. 하단 좌측 도면은 마이크로스트립을 따른 공진기들의 주기적인 "톱니" 레이아웃이다. 우측 도면은 주파수의 함수로서, 원거리 필드 (far-field) 각 분포이다. 단위들은 대략 40°에 걸쳐 도시된 스티어링을 갖는, 라디언 (radian) 이다.
도 6은 샘플링 다양성을 최대화하도록 설계된 사각형 메타촬상기 패널에 대한 원거리 필드의 이미지이다. 이는 방위각 및 상승 각의 함수로서 (동작 대역폭에 걸쳐 적분된) 전력 스펙트럼 밀도이다.
도 7은 구조화된 광 센서 (PRIMESENSE® 센서) 를 사용하는 실시간 대상물 캡처의 3D 모델을 도시한다.
도 8은 단일 서브-회절 제한 산란기 (scatterer) 의 (a) 1D 메타촬상기 어레이, 및 (b) 실험적 장면을 도시한다.
도 9는 각각이 단일 서브-회절 제한 산란기로 구성되는, 4 개의 상이한 장면들의 4 개의 1+1D (각도와 범위) 메타촬상기 이미지들을 도시한다. 산란기의 실제 위치는 원으로 마킹된다.
도 10은 메타촬상기에 대한 예시적인 RF 트랜시버 서브시스템의 블록도이다.
도 11은 본 개시의 실시예들에 따른 프로토타입 메타촬상기의 전체 크기 및 예시적인 단위 셀을 도시한 도면이다.
도 12의 A 내지 C는 종래의 이미징 스킴 및 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 압축 이미징 스킴의 비교를 도시하는 도면이다. 종래의 이미지 스킴은 객체의 모든 부분들을 검출기/이미지 평면에 효율적으로 맵핑하는 측정 모드들을 형성하기 위해 렌즈들을 사용할 수도 있다. 모드 각각은 매우 구체적이고 국부화된 정보에 기여할 수도 있고, 모든 모드들은 픽셀 어레이 또는 다른 검출기를 사용하여 동시에 캡처될 수 있다. 단일 픽셀 스킴들을 사용하여, 많은 타입들의 모드들이 순차적으로 캡처될 측정치들을 갖는 이미지를 형성하도록 사용될 수 있다. 도 12의 B에 도시된 예에서, 랜덤 (위상 및 진폭 양자에서) 마스크가 전체 장면을 샘플링하는 원거리 필드로 모드들을 투영하기 (project) 위해 사용될 수 있다. 도시된 마스크는 단일 화소 검출기에 광을 집중시키는 홀로그래픽 광학으로서 동시에 기능한다. 도 12의 C에서 본 명세서에 보고된 마이크로웨이브 메타물질 촬상기는 ELC들의 홀로그래픽 어레이를 공급하는 평면 도파관을 사용한다. 도파관은 일루미네이팅 공간 모드들을 생성하도록 기능하는 ELC들의 어레이와 함께, 단일 픽셀 디바이스로서 기능한다.
도 13의 A 및 B는 도면 (a) 에서 본 개시의 실시예에 따른 실험적 셋업의 개략도 및 도면 B에서 본 개시에 따른 실험적 셋업의 단위 셀들의 치수들을 도시하는 도면을 도시한다. 도면 A에서, 네트워크 분석기는 일루미네이션 혼 (horn) (포트 1) 및 메타물질 수용하는 어퍼처 (포트 2) 를 구동하고, S21를 측정한다. 데이터는 장면 재구성을 하는 PC로 전달된다. 도면 B는 ㎜ 단위로 단위 셀들의 치수를 도시하고, 여기서 Iy = 1.2, Ix = 2.2, w1 = 0.2, w2 = 0.1, 및 px = 2.8이고, gx는 0.5에서 1.5까지 변할 수 있고 cELC 공진 주파수를 제어한다.
도 14의 A 내지 C는 본 개시의 실시예에 따라 주파수 민첩 모드 분포들을 생성하기 위한 공진 메타물질 어퍼처들의 사용을 도시하는 도면들을 도시한다. 도면들은 본 개시의 주파수 민첩 모드 분포들을 생성하기 위한 공진 메타물질 어퍼처들의 사용을 도시한다. 시뮬레이션으로부터 2개의 주파수들 18.5 ㎓ (도면 A) 및 21.8 ㎓ (도면 B) 에서의 메타촬상기 스트립에 대한 원거리 전기장 프로파일들이다. 도면 C는 4 m 범위에서 측정된 전체 K-대역에 걸친 측정치-행렬 (E-필드 어퍼처) 의 플롯을 도시한다.
도 15는 각각 2 개의 10 ㎝ 산란하는 객체들로 구성된 본 개시의 실시예에 따른 4 개의 장면들을 도시하는 도면이다. 완전한 "+" 는 객체들의 실제 위치를 도시하고, 픽셀들은 나중에 재구성된 이미지를 도시한다. 픽셀 크기는 공간-대역폭 곱으로 주어진, 최대 기구 해상도를 반영한다. 이미지는 각도 ±70° 및 범위 1.5 내지 4 m의 전체 시계로부터 잘렸다.
도 16은 본 개시의 실시예에 따라 각도-범위-시간을 도시하는 장면을 통해 단일 객체의 비디오-레이트 추적을 도시하는 이미지를 도시한다. 보셀 (voxel) 각각은 청색으로부터 적색으로 시간 상의 메타 촬상기의 공간-시간 해상도를 매칭하도록 크기가 정해진다. 우측 도면은 각도 대 시간 및 범위 대 시간을 도시하는 데이터의 2D 직교 투영이다.
도 17의 A 및 B는 각각 본 개시의 실시예에 따라, 전달-행렬 방법을 나타내는 그래프 및 이미지를 도시한다. 그래프 및 이미지는 cELC 단위 셀들에 의해 삽입된 전압 노드들의 긴 송신선을 도시하는, 예시적인 전달-행렬의 표현을 도시한다. 단위 셀 각각은 파라미터들이 유한 엘리먼트 시뮬레이션에 의해 발견되는, 2x2 T-행렬로 표현된다. 도 17의 B는 cELC 각각의 중심에서 평가되고 어퍼처의 표면 상에 전기장을 유발하는, 도파관 내의 전기장에 대한 전달-함수 솔루션을 도시한다.
도 18의 (a) 및 (b) 는 각각 본 개시의 실시예에 따라, cELC 단위 셀의 설계 및 단위 셀의 최적화 행렬을 도시한다. 도 18의 (a) 는 cELC 단위 셀의 설계를 도시한다. 도 18의 (b) 는 설계 기하구조들 w2I1에 대한 최적화 행렬을 도시한다.
도 19의 (a) 및 (b) 는 본 개시의 실시예에 따라 TwIST 재구성들에 대한 최상의 평균 에러를 도시하는 그래프이다. 스캐닝된 빔 촬상기 (적색, R로 지정됨) 를 사용하여 측정된 1-포인트 장면 및 2-포인트 장면들이 재구성되고, 메타물질 어퍼처 촬상기는 주 텍스트 (청색, B로 지정됨) 내에 나타난다. 최적의 정규화 파라미터에 대한 재구성된 이미지들과 진정한 이미지들 간의 재구성된 거리 간의 평균 유클리드 거리가 에러이다. 도 19의 (a) 는 두 이미징 모드들에 대한 에러 표면들을 도시한다. 도 19의 (b) 는 최상의 이미징 모드 대 샘플링 퍼센티지 및 잡음을 도시한다. 언더샘플링 (undersampling) 된 장면들에 대해, 메타물질 어퍼처 촬상기가 스캐닝된 빔 촬상기들을 능가한다는 것이, 잡음 전력이 임계 레벨 - 메타물질 촬상기의 재구성 에러가 급속도로 증가하는 포인트 - 아래에 있다면, 명백하다.
현재 개시된 주제는 법으로 정해진 요건들을 만족하는 특수성으로 기술된다. 그러나, 기술 자체는 본 특허의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 오히려, 발명자들은 다른 현재 또는 미래의 기술들과 함께, 본 문서에 기술된 단계들 또는 엘리먼트들과 유사한 다른 단계들 또는 엘리먼트들을 포함하도록, 청구된 주제가 다른 방식들로 구현될 수도 있다는 것을 고려하였다. 또한, 용어 "단계"가 채택된 방법들의 상이한 양태들을 함축하도록 본 명세서에서 사용될 수도 있지만, 용어는 개별 단계들의 순서가 명시적으로 기술될 때를 제외하고, 본 명세서에 개시된 다양한 단계들 중에서 또는 사이에서 임의의 특정한 순서를 암시하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본 주제의 실시예들은 광학 분광학 및 스펙트럼 이미징, 홀로그래피 및 밀리미터 웨이브 이미징, x-레이 단층 촬영, 및 사람 추적 및 식별을 위한 압축 이미징 시스템들의 개발을 위한 이미징 시스템 설계 방법을 제공한다. 압축 이미징은 자연적인 이미지들이 사전들 또는 로우 (raw) 픽셀 맵보다 훨씬 낮은 복잡도의 기준들 (bases) 을 사용하여 나타낼 수 있기 때문에 가능하다. 측정된 데이터는 진정으로 랜덤하지 않고, 이 사실의 고전적인 예는 자연적인 이미지들이 DCT (discrete cosine transform) 또는 하 웨이블릿 기저 (Haar Wavelet basis) 과 같은 비-표준 기저 (non-canonical basis) 에 훨씬 효율적으로 저장될 수 있다는 것이다. 명시된 기준들 내의 이미지들을 나타내는 것의 장점은 측정 후 이미지 압축의 맥락에서 확립되었다. 압축 측정치들은 데이터 압축을 물리적 측정 층으로 푸시한다.
용어에 의해 제안된 바와 같이, 압축 측정치는 측정들의 수보다 큰 양의 이미지 픽셀들을 추정하는 것으로 구성된다. 선형 조합의 장면 픽셀들을 측정하는 멀티플렉스 측정은 일반적으로 압축 샘플링에 필수적이다. 밀리미터 웨이브 촬상기들 및 다른 코히어런트 또는 어포컬 시스템들은 압축 샘플링할 수 있다. 압축 측정 시스템에서, 측정 프로세스는 2 개의 선형 투영물들의 합성인 프로세스로서 생각될 수 있다. 예를 들어, 측정 모델 g= Hf를 고려하고, 여기서 Η=ΦΨ이다. 행렬 Η=ΦΨ은 f를 이들이 희소 기저 (sparse basis) 로부터 표준 기저로 투영한다. 행렬 Φ는 물리적 센싱 행렬이다. 시스템 설계자는 물리적 설계 제한들 내에서 희소화 변환 (sparsifying transform) Ψ -1 및 센싱 행렬 Φ 양자를 선택하는 것이 자유롭다. 저 비용, 단일 픽셀 RF 및 ㎜W 압축 이미징을 위해, 가용 물리적 코딩 파라미터들은 트랜시버 방사 패턴들 및 동작 주파수들을 포함할 수 있다.
비디오 및 모션 추적은 또한 특히 압축된 센싱을 할 수 있다. 비디오는 고차원 공간-시간 이미지로서 이미지화될 수도 있다. 사람 타깃들의 ㎜W 이미징의 특별한 경우에 대하여, 시간 프레임들은 견고한 표면들의 매끄러운 변환들을 수반한다. 4D 공간-시간에 임베딩된 표면들의 매끄러운 왜곡들의 데이터 큐브는 급격하게 희소해되고, 캡처되고, 효율적인 멀티플렉스 코딩이 구현되면 몇 자리의 효과적인 압축비들로 재구성될 수도 있다. 이 프로세스는 다차원 분석이 압축되지 않은 (그러나 가려진 (occluded)) 데이터의 단일 시간 프레임의 훨씬 효율적인 해상도를 달성할 수도 있기 때문에 이동 중인 사람들을 이미징하기 위해 특히 중요하다.
카메라 어레이들 및 홀로그래픽 및 하이퍼스펙트럼 시스템들의 압축 비디오 단층 촬영을 사용하여 압축 비디오가 달성될 수 있다. 또한, 하이퍼스펙트럼 데이터에서, 실질적인 장점들은 이미지들보다 분류 데이터의 직접적인 압축해제 추론에 의해 획득될 수도 있다. 압축된 측정치들로부터 적응성 코딩 및 분류는 ㎜W 시스템들에 특히 매력적일 수 있다.
메타물질들 - 인공 전자기 매체의 맥락에서 부각되는 - 은 이들이 전자기 스펙트럼에 걸친 웨이브들의 관리 시 유례가 없는 유연성을 허용하기 때문에 압축 이미징 시스템들에 확실하게 적합하다. 메타물질 어퍼처는 주어진 파장 또는 주파수 대역에 걸쳐 구체적인 목표된 산란 특성들을 갖도록 구성될 수 있어서, 압축 이미징 시스템의 효율성을 최대화하기 위해 조각될 수 있는 산란된 장 패턴들을 갖는다.
관사들 ("a" 및 "an") 은 이 관사의 문법적 객체의 하나 또는 하나 이상 (즉, 적어도 하나) 을 참조하도록 본 명세서에 사용되었다. 예로서, "엘리먼트" 는 적어도 하나의 엘리먼트를 의미하고, 하나 이상의 엘리먼트를 포함할 수 있다.
달리 규정되지 않는 한, 본 명세서에 사용된 모든 기술적 용어들은 본 개시가 속하는 기술분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "압축 이미징"은 측정된 포인트들보다 적은 센서들을 사용하여 이미지를 획득하는 것을 의미한다. 장면의 캡처된 포인트 각각을 바로 맵핑하는 표준 CCD를 고려할 때, 이는 CCD의 구체적인 픽셀을 측정하는 반면, 압축 이미징은 하나 이상의 센서들에 간접적으로 커플링된 데이터의 한 포인트보다 많이 캡처한다. 이는 유사한 이미지 압축이 비-압축 이미지들의 데이터 사이즈를 감소시키도록 사용되기 때문에, 압축이라고 하고, 압축 이미징은 캡처된 이미지들의 데이터 크기를 감소시키지만, 이미지 획득의 일부로서 이미지가 획득된다. 측정된 데이터 세트의 계산 및 압축은 종종 장면 또는 어퍼처의 표준 기저 이외의 기저에서 고려된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "cELC"은 유사한 표준 메타물질들의 많은 특성들을 포함하는 상보적인 전기적인 LC 메타물질 엘리먼트를 지칭하지만, 도 3의 하단부에 도시된 바와 같이, 형상의 보완물이다. 상보적인 메타물질 엘리먼트들을 포함하는 본 명세서의 실시예들은 본 명세서에 참조로서 통합된, D. R. Smith 등의 미국 특허 출원 공개 번호 제 2010/0156573 호의 "Metamaterials for surfaces and waveguides", 및 본 명세서에 참조로서 통합된, E. Bily 등의 미국 특허 출원 공개 번호 제 2012/0194399 호의 "Surface scattering antennas"에 기술된 바와 같은 그리고 본 개시의 다른 곳에 기술된 바와 같은 다양한 상보적인 메타물질 엘리먼트들을 사용할 수도 있다. 상보적인 메타물질 엘리먼트들은 또한 예를 들어, 앞서 말한 Smith 특허 및 앞서 말한 Bily 특허에 기술된 바와 같이, 조정가능하게 구성될 수 있다. 조정가능한 상보적인 메타물질 엘리먼트들은 전압 입력들 (예를 들어, (버랙터들, 트랜지스터들, 다이오드들과 같은) 능동 엘리먼트들 또는 (강유전성 또는 액정과 같은) 튜닝가능한 유전체 재료들에 대한 바이어스 전압들), 전류 입력들 (예를 들어, 전하 캐리어들의 능동 엘리먼트들로 직접적인 주입), 광학 입력들 (예를 들어, 광능동 물질의 일루미네이션), 장 입력들 (예를 들어, 비선형 자성 물질들을 포함하는 엘리먼트들에 대한 자기장들), 기계적 입력들 (예를 들어, MEMS, 액추에이터들, 유압기들), 등에 응답하여 조정가능한 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
또한, 상보적인 메타물질 엘리먼트들을 포함하는 본 명세서의 실시예들에 대해, 상보적인 메타물질 엘리먼트들은 홍채 (iris) 및 홍채 위에 위치된 패치를 사용하여 상보적인 엘리먼트 각각을 규정하는 도전성 표면 어퍼처를 대체함으로써, 서브파장 패치 엘리먼트들에 의해 대체될 수도 있다. 서브파장 패치 엘리먼트들은 예를 들어, 본 명세서에 참조로서 통합된 E. Bily 등의 미국 특허 출원 제 13/838,934 호의 "Surface scattering antenna improvements"에 기술된다. 이들 서브파장 패치 엘리먼트들은 또한 예를 들어, 패치 각각과 아래에 놓인 도전성 표면 사이에 튜닝가능한 유전체 재료를 위치시킴으로써 또는 도전성 표면과 패치 각각의 사이에 (버랙터, 트랜지스터, 또는 다이오드와 같은) 능동 엘리먼트를 접속함으로써 조정가능하게 구성될 수도 있다.
본 개시가 RF 및 ㎜W 애플리케이션들의 구체적인 예들을 제공하지만, 이들 예들은 제한하는 것으로 의도되지 않고, 본 명세서에 기술된 방법들은 RF (마이크로웨이브를 포함) 및 ㎜W 주파수들로부터 선택된 주파수들 또는 주파수들의 범위들로 채택될 수도 있다. 일부 방법들에서, 동작 주파수 또는 주파수 대역은 마이크로웨이브 주파수 또는 주파수 대역이고, 약 1 ㎓ 내지 170 ㎓의 주파수 범위 및 수 ㎜ 내지 수십 ㎝의 자유공간 파장들에 대응하는, L, S, C, X, Ku, K, Ka, Q, U, V, E, W, F, 및 D와 같은, 주파수 대역들로부터 선택된다. 다른 방법들에서, 동작 주파수 또는 주파수 대역은 RF 주파수이거나 주파수 대역은 마이크로웨이브 주파수들 아래, 예를 들어, 약 100 ㎒ 내지 1 ㎓의 범위이다. 또 다른 방법들에서, 동작 주파수는 밀리미터-웨이브 주파수, 예를 들어, 약 30 ㎓ 내지 300 ㎓의 범위에 있다. 길이 스케일들의 범위들은 종래의 인쇄된 회로판 또는 리소그래픽 기술들을 사용하여 메타물질 엘리먼트들의 제조를 허용한다.
본 주제의 일 목적은 장면에 대한 측정 데이터에 액세스하도록 설계된, 전자기장 분포를 생성하는 어퍼처를 포함한다. 이는 일루미네이션, 데이터 수신, 또는 양자 (트랜시버) 를 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 공간적인 장 분포는 랜덤 필드들, 의사 랜덤 필드들, 웨이블릿 패턴들, 및 푸리에 패턴들을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는, 주파수에서 임의로 코딩될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 어퍼처의 물리적 발현은 접지 배치 및 아마도 사람 또는 차량 트래픽을 지지하기에 충분히 평면, 플렉서블, 컨포멀, 기계적으로 견고할 수도 있지만, 건축적 엘리먼트들 상에 또는 건축적 엘리먼트들로서 매달리게 하도록 충분히 저밀도 또는 중량일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 어퍼처는 시계를 조정하는 단계; 해상도를 변경하는 단계; 및 신호 대 잡음비, 임의의 기준의 해상도, 콘트라스트, 단일 값 스펙트럼 아래의 영역과 같은 행렬 특징들 또는 기저 코히어런스 또는 서브공간 매칭과 같은 데이터 캡처의 속도/품질 균형 (tradeoff) 에 영향을 주는 속성을 조정하는 단계, 또는 진정한 물리적 모델에 대한 분석적 모델의 매칭을 조정하는 단계를 포함하는 방법들로 재구성가능할 수도 있다.
본 주제의 다른 목적은 패널 또는 어퍼처 내에 표현된 수학적 어레이 계수를 포함한다. 일부 실시예들에서, 어레이 계수는 어레이 소자들의 분산, 에너지 공급 또는 입력 구조체들의 분산, 등과 같은 방법들에 의해 주파수 다양성 (전자기 모드 분포) 를 승인할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 어레이 계수는 장면 모드들, 사이드 로브들 (종래의 방법들에 대한 카운터인) 을 최대화하는 빔 패턴, 등의 과도하게 결정된 세트인, 빔 패턴 다양성들을 포함할 수도 있는, 튜닝에 대해 비-콘볼루션 기반 포워드 모델링을 허용할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 어레이 계수는 전체 주파수들에 걸쳐 집적될 때: 시계에 걸쳐 균일하게 분포되고; 랜덤하게 분포된 장들, 의사 랜덤 분포된 장들, 웨이블릿 패턴들, 푸리에 패턴들, 사인 함수들의 합을 통해 임의의 상기한 것들의 근사치, 사인 함수들의 합들, 등을 포함하지만 이들로 제한되지 않는, 에너지 분포 스킴들 내에서 임의로 코딩되고; 일부 예들에서, 시계 내의 관심 있는 영역들에 포커싱; 전압을 포함하지만 이로 제한되지 않는, 외부 튜닝 자극을 사용함으로써 선택된 주파수들의 서브세트에 의해, 오버컴플리트 (overcomplete) 신호 세트 또는 다른 것들에 의해, 오버컴플리트 신호 세트에 의해, 또는 다른 것들에 의해, 시계 내에서 적응적으로 지향되고; 연속하는 지향성의 대역들을 포함하지만 이로 제한되지 않는 LFM 범위로 잘 작동하는 형태들, 등일 수 있는, 특정한 에너지 분포를 제공할 수도 있다.
본 주제의 다른 목적은 메타물질 엘리먼트들의 어레이를 포함하는 안테나를 포함한다. 메타물질 엘리먼트들은 개별적이고 고유하게 설계될 수 있다. 이는 광범위한 신호들, 예를 들어, 주파수 분산 모드들이 생성되고 수신되게 한다. 메타물질 엘리먼트들은 주파수 분산 모드들, 단일 주파수 다양성, 백색화될 때 양호한 특성들을 갖는 행렬, 등을 포함하는, 주파수-인코딩된 신호들을 생성하고 관찰하도록 사용될 수 있다. 메타물질 엘리먼트들은 편광 선택, 단위 셀 지향성, 또는 다른 특성들을 유의하여 설계될 수 있다. 발광 자극 신호 및 수신된 측정된 신호는 이 안테나가 신호를 방출하고 장면과 인카운터함으로써 변환된 신호를 수신하도록 사용되면, 동일한 하드웨어 상에서 동작할 수 있다. 상보적인 메타물질 엘리먼트들 (도 3의 하단의 두 도면 참조) 은 도 1 및 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 설계를 단순화하기 위해 사용될 수 있다. 이 안테나는 전기장 분포를 생성하기 위해 메타물질 엘리먼트들을 사용함으로써, 이전에 논의된 어퍼처를 포함할 수 있다. 부가적으로, 안테나의 메타물질 엘리먼트들의 어레이는 이전에 논의된 수학적 어레이 계수를 포함할 수 있다.
본 주제의 다른 목적은 메타물질 트랜시버를 포함한다. 본 명세서에서 논의된 안테나는 생성된 신호가 장면에 의해 변환될 수 있고 이어서 동일한 메타물질 안테나에 의해 관찰될 수 있는 트랜시버 내에 사용될 수 있다. 이 트랜시버는 멀티모드 신호를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 메타물질 기술은 크고, 플랫 패널 고정된 어퍼처 어레이들이 RF/㎜W 이미징의 비용 및 복잡도를 크게 감소시키는, 단일 픽셀 압축 측정치들에 대한 주파수 다양성을 레버리지 (leverage) 할 수 있게 한다. 2차원 메타물질 엘리먼트 어레이 내의 이 예는 도 1에 제공된다. 트랜시버는 압축 이미징을 위해, 다수의 멀티모드 기법들을 사용하기 위해, 멀티밴드 센싱, 등을 위해, 구성될 수 있다. 메타물질 트랜시버를 사용하여, 이미지 프레임 레이트들은 더이상 기계적 스캐닝에 의해 제한되지 않고 이론적으로 초당 수백 내지 수천 프레임들로 확장될 수 있다. 이들 고 프레임 레이트들은 포즈되지 않은 움직이는 대상들에 대한 ㎜W 이미징에 대한 가능성을 제안한다. 메타물질 트랜시버는 건축적 엘리먼트들 상 또는 내에 위치될 수 있고, 움직이는 대상들을 관찰하도록 사용될 수 있다. 이미지 생성 레이트는 이 트랜시버를 사용하여 조정가능할 수 있다. 움직이는 대상들은 추적될 수 있고, 이미지 생성 레이트는 보다 빠른 움직이는 대상들의 정확한 관찰들에 특히 유용한, 추적된 대상들에 관한 정보를 사용함으로써 동적으로 변화될 수 있다.
본 주제의 다른 목적은 동적 어퍼처를 제공할 수 있는, 전기적으로 재구성가능한 메타물질 엘리먼트들과 메타물질 안테나를 포함한다. 재구성가능성은 단위 셀들, 블록들, 섹션들에 의해, 안테나에 걸쳐 연속하는 분포, 또는 다른 방법들에 의한 것일 수 있다. 재구성가능성은 기존의 디스플레이 기술을 레버리지하는 액정 방법으로 구현될 수 있고 단일 주파수 모드들 내에서의 동작을 허용하는 동적으로 재구성가능할 수 있는, 동적 어퍼처를 형성하도록 메타물질 어퍼처와 통합될 수 있다. 어퍼처의 이러한 재구성가능성은 또한 실리콘 튜닝 쇼트키 다이오드들 또는 실리콘 튜닝 PN 접합부들, 등으로 구현될 수 있다.
본 주제의 다른 목적은 디자인 특정 하드웨어이다. 특히, 본 명세서에 기술된 어퍼처, 안테나, 또는 트랜시버가 RF 체인의 일부일 수 있다.
본 주제의 다른 목적은 압축된 샘플링이다. 이미지 재구성 기능은 트랜시버, 어퍼처, 또는 안테나의 코딩을 매칭하도록 설계될 수 있다. 이미지들은 이미지가 의사 랜덤하게 샘플링될 때와 같이, 이미지 샘플링 내의 하드웨어-레벨 암호화 및 압축에 의해 압축되고 암호화될 수 있다. 이 암호화는 개인 또는 군사적으로 중요한 정보를 보호하기 위해 사용될 수 있고, 이상 징후 또는 위험한 요소들이 검출될 수도 있을 때, 단지 사람의 눈들을 위해 이미지들을 재구성하는 컴퓨터들에 의해 전체적으로 프로세싱될 수도 있다. 메타물질 트랜시버는 압축 이미징 스킴들을 실현하도록 이상적인 물리층을 제공한다. 압축 이미징은 구조화되지 않은 환경들 및 자동화된 이미지 분석 및 분류시 이미지 획득을 실현할 뿐만 아니라, 현재 기술보다 보다 적은 트랜시버들 및 측정치들을 사용하여 이미징을 실현함으로써 배치 및 동작 비용들을 감소시킬 수 있다. 압축 샘플링의 기준은: 문제의 타깃들에 응답도록; 다중경로와 같은 장면 간섭을 최소화하도록; 스펙클 (speckle) 을 다룰 수 있는 널-스캐닝 (null-scanning) 인, 필드를 갖도록; 장면의 가시적인 또는 적외선 정보에 기초하여 선택된 적응형 기준을 갖도록; 등을 위해 설계될 수 있다. 압축 샘플링의 캘리브레이션은 공지의 타깃 또는 경계 값을 사용할 수 있다.
본 주제의 다른 목적은 멀티스펙트럼 이미징이다. 정보의 다수의 스펙트럼들은 예를 들어, 문제의 영역을 규정하도록 이미징의 특정한 부분들을 보조하도록 사용될 수 있다. 이 어퍼처, 안테나, 또는 트랜시버의 장점은 멀티스펙트럼 이미징 소스들 및 수신기들이 동일한 관점을 제공하는, 동일한 위치에 위치될 수 있다. 예로서, 군중 속에 폭탄을 가지고 가는 테러리스트를 말하는, 가시적인 정보에 의해 규정된 문제의 공지의 영역은 위치, 각도, 등을 조정하지 않고, 밀리미터파 이미징이라고 하는, 정확하게 동일한 문제의 영역을 타깃팅하도록 사용될 수 있다. 부가적으로, 잠재적인 문제의 결함을 식별하기 위해 사용된 정보는 이어서 다른 스펙트럼 대역으로 바로 변환될 수 있다. 상기 예에서, 이 기법은 군중 속에서 잠재적인 폭탄 운반자의 얼굴 및 옷을 식별하도록 사용될 수도 있다. 마지막으로, 멀티스펙트럼 이미징은 물질 식별을 보조하기 위해 편광계 기법을 사용할 수 있다.
본 주제의 또 다른 목적은 멀티모드 이미징 기법들의 융합을 포함한다. 가시적인 이미지 및 적외선 이미지는 특정한 형태들의 파장-특정 클록킹 (cloaking) 및 속임수를 완화시키기 위해 멀티밴드 데이터와 결합할 수 있고, 적응형 타깃-특정 다경로 산란 모델링과 함께, 멀티모드 융합은 차광이 존재할 때 회절 제한된 이미징을 실현한다.
본 주제의 다른 목적은 멀티밴드 센싱을 포함한다. 기가헤르츠 및 밀리미터 범위에 걸친 단일 픽셀 메타물질 트랜시버들의 저 비용은 분산 및 흡수 사인들에 기초하여 물질 특수성뿐만 아니라, 희소하거나 제한된 어퍼처들로부터 파장-제한된 이미징을 실현한다.
본 주제의 또다른 목적은 광범위한 이미징 양상들을 실현하는 압축 이미징 스킴들 (도 1에 도시된, "메타촬상기") 과 고유하게 호환가능한 스케일링 가능한, 평면 메타물질 트랜시버에 기초한 진보된 무선 주파수 (RF) 및 밀리미터파 (㎜W) 이미징 시스템들을 포함한다. 용어 "메타촬상기"는 본 주제의 실시예들에 따라 이미징하기 위해 사용된 메타물질 디바이스를 지칭한다. 예로서, 메타촬상기는 X-대역 (8 내지 12 ㎓) 주파수들에서 예비의 1차원 (1D) 이미징 측정들에 고정된 어퍼처 설계를 사용할 수 있다. 이는 보안 관련된 애플리케이션들의 넓은 스펙트럼에 걸쳐 미션 요건들을 만족할 수 있는 기능적 플랫폼으로 변환될 수도 있다.
이하의 예들은 제한이 아닌 예시로서 제공되었다.
본 주제의 실시예들에 따라, 메타촬상기와 같은 메타물질 디바이스는 단일 RF 또는 ㎜W 소스에 의해 공급되고 단일 검출기에 커플링된 평면 도파관을 형성하는 얇은 시트를 포함할 수도 있다. 도파관의 상부 도전체는 각각 양극성 소스와 같이 작동하고, 잘 규정된 방사선 패턴을 생성하는, 메타물질 엘리먼트들의 어레이로 패터닝될 수도 있다. 메타촬상기는 2 개의 모드들에서 동작할 수 있다. 제 1 모드는 메타물질 엘리먼트들의 산란 특성들이 이들의 기하학적 구조에 의해 고정된, 고정된 어퍼처일 수 있다. 고정된 어퍼처 동작에서, 미리 결정된 대역폭에 걸친 다수의 주파수들은 메타물질 엘리먼트들의 방사 효율성을 변조하도록 사용되어, 장면 정보가 주파수 대역폭에 걸쳐 인코딩된다. "동적 어퍼처"라고 하는, 제 2의 보다 진보된 모드에서, 엘리먼트들은 주어진 주파수에서 빔 패턴을 조정하고 단일 캐리어 주파수에 대해 다수의 공간 프로파일들을 생성하는 기능을 제공하는, 외부 디지털 제어부를 통해 전기적으로 재구성된다. 이러한 동적인 양상은 장면 내의 물질 특징들을 식별하기 위한 가능성을 추가하는 - 하이퍼-스펙트럼 이미징뿐만 아니라 적응형 광학 (움직이는 부분들 또는 고-비용 위상 시프터들을 갖지 않는) 을 허용한다. 이 기술의 실시예들이 이하에 기술된다.
메타촬상기의 예시적인 이점들은 단순한 풋프린트 및 저생산 비용일 수도 있다. 이들 이점들은 부피가 큰 기계적 스캐닝, 부서지기 쉬운 종래의 광학, 및 위상-배열 전자제품들의 제거에 의해 실현될 수 있고, 광범위한 보안 시나리오들에 걸쳐 광범위하고 눈에 띄지 않는 배치를 허용할 수 있다. 메타촬상기의 중심부에서 트랜시버 패널의 얇은 폭은 다양한 위치들에서의 배치를 허용한다. 도 2를 참조하면, 메타촬상기는 벽들 (A) 상, 플로어들 및 지면 (B) 상, 및 사람-휴대 장치들 (C) 에 배치될 수도 있다.
메타촬상기의 예시적인 사용은 벽들 - 눈에 띄지 않게 포스터들 뒤에 - 상에 배치되거나 구조적인 섹션들 내에 구축되는 것이다. 패널 자체는 "제곱 피트로" 광범위한 플렉서블 배치를 실현하는, 총 단가의 단지 작은 부분만을 포함한다. 다양한 대상 포즈들을 갖는 보다 긴 관찰 시간들이 메타촬상기들의 긴 패널을 지나는 대상 걸음들로서 획득된 데이터를 통합함으로써 획득될 수 있다.
임의의 부서지기 쉬운 광학 또는 기계적인 부분들의 제거는 메타촬상기 패널이 이의 환경과 물리적인 상호작용을 견디기에 충분히 견고하게 한다. 경사로 또는 통로 내에 구축되거나 심지어 잠재적으로 러그들과 같이 플로어를 덮는 것들 아래에 단순히 위치되는 지면 배치는 개방된 영역들에서도 배치 가능성들을 제공한다. 지면 배치는 종래의 포털 (portal) 기법들로 이미징하기 어렵거나 불가능한 몸체의 이미징 영역들에 대해 고유하고 유리한 지점을 제공한다.
메타촬상기의 다른 예시적인 이점은 이의 경량 패널이다. 경량의 메타촬상기 패널 - 무거운 종래의 스캐닝 컴포넌트들이 없는 - 은 사람이 휴대할 수 있는 장치들의 가능성을 제공한다. 서버측 하드웨어-구현된 이미지 프로세싱은 원격 동작을 실현할 수 있다.
메타촬상기는 압축 비디오 토모그래피를 위한 강력한 플랫폼을 제공할 수도 있다. 예에서, 메타촬상기는 한번에 한 모드의 투영을 취할 수 있다. 투영 각각은 장면의 현재 상태 및 지난 측정치들에 기초하여 적응적으로 프로그래밍될 수도 있다. 투영이 취해지는 각각의 시간에, 현재 프레임은 애플리케이션이 지시하는 바와 같이 시간적 공간적 해상도 간을 교환하는 쉬운 방법을 제공하는, 오퍼레이터가 선택하는 타임스케일에 대해 재구성될 수 있다. 유사한 균형들이 다수-획득 CASSI (Coded Aperture Snapshot Spectral Imager) 으로 실험적으로 탐구되었다.
이하의 표 1은 결합된 일부 메타촬상기의 예시적인 속성들을 언급한다. 이들 예시적인 속성들은 다음을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.
메타물질들을 사용하여 빔 형성
메타촬상기의 예상된 특성들
단일 트랜시버 동작 단 하나의 소스/검출기만이 동작을 위해 필요하고, 이미징 시스템 및 지원 전자제품들의 비용을 크게 감소시킴
고정된 어퍼처 모드 주파수 대역폭을 사용하여 공간적 이미지들이 인코딩되고, 큰 영역들에 걸쳐 궁극적으로 저비용, 견고한 시스템들이 가능하게 함
동적 어퍼처 모드 재구성가능한 메타물질이 적응형 빔 형성을 실현하고, 하이퍼-스펙트럼 이미징 및 장면 유연성을 가능하게 함
저 비용 최소 RF 컴포넌트들이 필요함; 산업 표준 리소그래피 및 물질들이 메타물질 패널에 사용됨; 동적 동작을 위해 기존의 디스플레이 기술들을 레버리지
큰 어퍼처 보다 큰 영역들이 저비용 패널들을 사용하여 커버됨, 연관된 전자제품들 및 지원 비용을 거의 증가시키지 않음
저 프로파일, 컨포멀 전통적인 광학 장치 및 움직이는 부분들의 제거는 패널들이 최소 두께를 갖게 하고, 메타물질 어레이들의 설계 유연성은 패널들이 광범위한 기하구조들 및 풋프린트들에 대해 성형되게 하고, 쉬운 위장이 용이하게 함
보다 작은 풋프린트 어퍼처의 효율적인 사용 및 단일 소스/검출기의 사용은 대단히 적은 전자 컴포넌트들 및 최소 지원 하드웨어를 요구하고, 배치에 유연성을 가능하게 하고 고립된 타깃 평가를 할 수 있는 사람이 휴대할 수 있는 장치들에 대한 가능성을 열어 놓는다.
적응형 모드들 상이한 장면들, 일루미네이션 및 타깃들에 대한 이미지 데이터의 재우선권 부여를 가능하게 함
하이퍼스펙트럼 모드 RF 및 ㎜W 대역들에 걸쳐 스펙트로스코픽 데이터가 공간적 이미지들과 동시에 획득될 수 있고, 물질 식별이 가능하게 함
움직임-내 이미징 공간-시간 압축 이미징 기법들을 조합하고, 메타 촬상기는 "포징 (posing)" 지연을 회피하면서 움직이는 대상들을 이미징할 수 있음
장면 암호화 메타촬상기는 하드웨어 레벨에서 장면의 암호화를 수행하고, 따라서 사람 사용자에게 해석가능한 이미지 기준으로 표현되지 않을 수도 있고, 데이터는 여전히 이들의 존재 및 위치를 보고하기 위해 장면 내에서의 객체들을 분류하도록 사용될 수도 있다.
메타물질들은 입사하는 전자기파에 대하여 맞춰진 응답을 제공할 수 있는 구조화된 산란 객체들로서 보여졌다. 즉, 메타물질 엘리먼트들은 종래의 물질들을 형성하는 원자들 및 분자들과 유사한 것으로 고려될 수 있다. 이러한 메타물질 엘리먼트들을 어레이들로 구조화함으로써, 결함 매체가 사실상 이들을 뛰어넘는 특성들로 시행될 수 있다. 메타물질들의 특성들이 기본적이고, 본질적인 프로세스들보다 기하구조에 의존하기 때문에, 광학적 특성들에 대한 메타물질 설계 이득 액세스가 사실상 발견되지 않고, 엘리먼트 설계들의 차원들을 변경함으로써 단순히 전체 전자기 스펙트럼에 걸쳐 스케일될 수 있다. 처음에, 대부분의 메타물질 연구는 자유롭게 전파하는 전자기파들의 경로에 메타물질 엘리먼트들을 유보하는 것에 초점을 두었다. 그러나, 메타물질들의 초기 마이크로파 실연 후에 뒤따르는 수년의 연구 동안, 송신선 및 도파된 파형 메타물질들을 포함하는, 훨씬 더 넓은 범위의 메타물질 기하구조들이 추구된다.
도파된 파형 메타물질들은 경계 도전체들 중 하나 또는 둘을 패터닝함으로써 많은 다른 송신선 및 평행 평판 도파관 디바이스들에 부가될 수 있다. 이 표면 패터닝의 추가는 도파관의 전자기 거동에 대한 놀라운 제어를 산출할 수 있다. 자유공간 타입 메타물질들을 도파 구조체들 내에 삽입할 수 있지만, 이러한 방법은 제조 관점으로부터 보다 기술적으로 복잡하고 전자기 장점은 거의 제공하지 않는다. 보다 자연스러운 방법은 메타물질 엘리먼트들의 "보완물 (complement)"을 도파관 자체로 패터닝하고, 도 3 (하단) 에 예시된 바와 같이, 전통적인 메타물질 엘리먼트의 형상을 형성하기 위해 금속을 제거하는 것이다. 도파 구조체 아래로 전파하는 파형들에 대해, 메타물질들의 존재는 특성들이 메타물질 패턴에 의해 결정된 매체를 통과하는 것으로 파형들이 거동하게 한다. 이러한 방식으로, 파형들의 전파는 고유하게 제어될 수 있다.
도파 구조체 내에서 전파하는 파형들의 거동을 제어하는 것에 부가하여, 상보적인 메타물질들은 도파 구조체를 나와 자유 공간으로 방사하는 중요한 특성을 갖고, 따라서, 안테나를 형성하는 자연적인 수단이다. 많은 애플리케이션들에서, 자연적으로 공진 메타물질 엘리먼트들이 보유하는 주파수 분산은 원치 않는 장애물을 제공한다. 그러나, 공진 메타물질 엘리먼트들의 높은 분산 특성은 안테나 기술의 맥락에서 기발한 방식으로 실제로 레버리지될 수 있다. 고정된 어퍼처 이미징 디바이스를 형성하기 위해, 분산된 공진 주파수들을 갖는 메타물질 엘리먼트들의 어레이는 공간 정보를, 단일 주파수 스캔의 결과로서 이미지 재구성이 발생할 수 있는, 주파수 도메인으로 인코딩하기 위해 사용될 수 있다. 이 방법은 부피가 큰 기계적 스캐닝 컴포넌트들 또는 고가의 위상-제어 엘리먼트들에 대한 필요성을 제거하는 상당한 장점을 갖는다.
부가적으로, 메타물질 공진의 민감성 (sensitivity) 은 메타물질 엘리먼트 주변의 유전체 환경의 비교적 약간의 수정을 통해 동적인 튜닝을 실현하기 위해 이용될 수 있다. 동적인 튜닝을 위한 견고한, 저비용, 용이하게 제작가능한 방법은 메타물질 엘리먼트의 공진을 시프트하기 위한 메커니즘으로서 기능하도록 기능하는 액정의 지시자 (director) (광학 축) 의 전압 제어된 변화를 수반한다; 각각이 본 명세서에 참조로서 통합된, E. Bily 등의 "Surface scattering antennas", 미국 특허 출원 공개번호 제 2012/0194399 호, 및 E. Bily 등의, "Surface scattering antenna improvements", U.S. 미국 특허 출원번호 제 13/838,934 호를 참조한다. 많은 수 (수 천) 의 상보적인 메타물질 엘리먼트들이 독립적으로 처리되고 기존의 저비용 (LCD) 기술을 이용하여 튜닝되는 것을 제안한다. 이 기법은 메타촬상기 어퍼처의 재구성, 및 따라서 빔의 재구성을 가능하게 하여, 이미징의 하이퍼스펙트럼 및 적응형 모드들에 대한 액세스를 제공한다. 어퍼처의 동적 재구성가능성과 주파수 다양성을 결합하는 하이브리드 방법들뿐만 아니라, 고정된 어퍼처 방법 및 동적 어퍼처 방법, 양자에 기초한 이미징의 모드들이 개발될 수 있다는 것이 명백하다.
도파관 구조체의 도면이 도 4에 도시되고, 이는 2차원 (도 4, 상단) 또는 1차원 (도 4, 하단) 도파 기하구조의 상부 도전체로의 메타물질 엘리먼트들의 패터닝을 예시한다. 이들 구조체들은 표준 50 Ω 동축 또는 단단한 도파관으로부터 공급받을 수 있고, 메타물질 패터닝 영역에 의해 크게 규정된 어퍼처와 함께 안테나로서 동작할 수 있다. 메타물질의 동작은 도 5에 예시된, 1D 예를 먼저 고려함으로써 이해될 수 있다. 도파된 구조체가 소정의 주파수 (ω n ) 를 갖는 소스에 의해 공급받을 때,
Figure pct00001
로 기술된 필드 진폭을 갖는 감쇠 평면파 (damped plane wave) 로서 도파관을 따라 전파한다. 따라서 도파된 파형을 전파하는 것은 결국, - 제 1 근사치로 - 안테나 위의 공간으로 포인트 쌍극자로서 방사하는, 메타물질 엘리먼트 각각에 공급한다. 따라서, 원거리-필드 방사 패턴은 페이즈드 어레이들 (phased arrays) 또는
Figure pct00002
에 사용된 것을 연상시키는 방식으로 기술될 수 있다.
이 수식에서, 원거리-필드 단일 엘리먼트 방사 패턴은 주파수에서 방사하는 소스들 각각에 대한 복소 진폭들의 합으로 구성된, 어레이 계수와 유사한 것으로 승산된다. 여기에서, 편광은 무시되지만, 파형의 두 편광들은 편광계 이미징 스킴들을 허용하는, 실시예들에 따른 메타촬상기 설계에서 관리될 수 있다. 수식 1에서 괄호 내의 어레이 계수는 p번째 공진기 Ap(ω) 의 커플링 진폭, 기하구조의 경로 길이 계수, 및 p번째 공진기의 위치에서 도파된 파형의 위상의 곱에 대한 합으로 보여질 수 있다. 상보적인 메타물질 엘리먼트들은 로렌츠 계수 (Lorentzian factor)
Figure pct00003
의 형태로 개략적으로 기술될 수 있는 공진을 갖고, 여기서, F는 커플링 강도이고 ωr 및 Γ는 각각 공진 주파수 및 감쇠 계수이다. 비교 목적으로, 종래의 페이즈드 어레이로부터의 등가의 원거리-필드는
Figure pct00004
이다.
페이즈드 어레이 시스템에서, 원거리 필드는 방사기 각각의 위상 (φp) 을 통해서만 조작된다는 것을 주의한다. 이러한 엘리먼트 각각의 위상 계수는 일반적으로 시스템 비용을 상당히 증가시키는, 독립적인 소스 및 독립적인 시프터를 통해 제어된다. 부가적으로, 페이즈드 어레이는 통상적으로 공간 다양성 요건 및 피드 네트워크들의 일반적인 복잡도로 인해 협대역 시스템들이다. 페이즈드 어레이 시스템들의 본질적인 특징들은 엘리먼트 위상이 주파수 다양성을 통해 제어되는 스킴에 적합하지 않다. 이들 핵심 차이들은 메타촬상기를 훨씬 더 휘발성 시스템이 되게 하고, 방사형 수식들을 관리하는 거의 모든 항들을 제어한다.
예를 들어, 수식 1에 표현된 것과 같이 단순한 모델들을 사용하는 메타촬상기의 기술은 이미징 시나리오들이 큰 효율성으로 분석적이고 수적으로 분석되게 할 수 있다. 다양한 압축 이미징 스킴들 및 알고리즘들의 강도 및 연약함은 고속으로 탐색될 수 있고, 본질들의 이해를 얻는다. 이러한 탐색은 병렬적으로 이루어질 수 있거나 심지어 하드웨어 설계 전개와 통합될 수 있다. 여기에서, 상세한 동작들에 대해서 뿐만 아니라 수적으로 구동된 설계 탐색의 전력이 실연된다. 자연적인 메타물질 분산을 레버리지하는 방법은 1D 마이크로스트립 선의 단순한 경우 (도 4와 같이) 에서 가장 쉽게 설명된다. 도 5에서, 수식 1의 해법은 엘리먼트 공진 주파수들에서 반복된, 선형 램프 (즉, "톱니" 프로파일) 를 사용하는 도파관에 대해 고려된다.
본 명세서에 기술된 1D 시스템의 공진 메타물질들의 단순한 패턴을 사용하여, 잘 규정된 빔 (θ의) 은 주파수 스캔에 의해 도입된 빔의 방향에 걸친 제어로 달성될 수 있다. 이 1D 톱니 시스템의 동작은 주파수 스캐닝된 어레이 레이더 시스템으로 연상된다. 그러나, 메타물질 엘리먼트들은 주파수 스캐닝된 어레이 시스템들은 하지 않는, 어레이 계수에 걸친 상세한 제어를 승인한다. 부가적으로, 공진 메타물질 엘리먼트들의 사용은 고정된 어퍼처에 대한 증가된 커플링 효율을 제공한다.
1D 경우가 동작 원리를 실연하도록 기능하는 동안, 빔 각도와 주파수 사이의 선형에 가까운 맵핑은 압축 이미징 스킴들에 잘 맞춰지지 않는다. 최대한 다양한 샘플링 시나리오를 보여주기 위해, 랜덤 공진기 구성이 도 6에서 고려된다. 또한, 설계를 위해 이 단순한 모델의 전력을 증명하기 위해, X-대역에서 동작하는 2D 사각형 (30 ㎠) 메타촬상기 패널에 대해 실험이 확대된다. 이러한 메타촬상기 패널은 20,000 개의 엘리먼트들을 포함하지만, 우리의 모델-기반 방법은 각각의 구성을 위해 며칠 (FDTD, FE 방법들) 보다는 몇 분만을 취하여, 이러한 패널들을 빨리 설계할 수 있게 한다.
이 2D 메타촬상기 패널의 결과들은 특히 제 1 세대 최적화되지 않은 트랜시버에 대해 압축 이미징을 전적으로 약속한다. 도 6의 왼쪽 프레임을 보면, 주파수 집적된 전력 스펙트럼 밀도는 완전한 ±90 도의 방위각, 및 거의 ±45 도의 상승을 커버하는 빔을 도시한다. 동작의 분산형-이미징 모드에서, 이 영역 (장면) 에 포함된 공간-정보는 주파수 기반으로 재맵핑된다.
트랜시버 설계 및 최적화에 관하여, 트랜시버 패널 내에서 메타물질 엘리먼트들의 사용은 빔-구성의 관점에서 대형 설계 공간으로의 액세스를 제공한다. 메타촬상기의 안테나 양태들은 모두 다양한 구현들 및 장면들을 최대화하기 위한 시스템으로서 함께 최적화되는, 구체적인 이미징 알고리즘 및 프로세싱 하드웨어에 짝지워질 수 있다. 부가적으로, 다양한 동작 모드들 (예를 들어, 재구성가능한, 하이퍼-스펙트럼, 주파수-다이버스, 하이브리드, 등) 은 상이한 빔 트랜시버 패널 구성들로부터 이익으로 얻을 수 있다. 임의의 주어진 설계 공간 내에서, 트랜시버 패널 레이아웃의 많은 선택들은 겉으로는 어울릴 수도 있다. 이러한 경우들에서, 유전 알고리즘과 같은 설계 반복 방법들과 조합된 특이 값 분해 (Singular Value Decomposition) 와 같은 알고리즘-적합 메트릭들을 사용하는 비교는 전역으로 최적화된 설계를 찾기 위해 사용될 수 있다. 메타촬상기 패널의 중요한 속성들 및 고려될 환경은: 메타물질 엘리먼트 오실레이터 강도, 엘리먼트 커플링, 및 품질 인자; 장면 희소성 (sparsity) 및 깊이; 및 빔 기초-세트 선택을 포함하지만, 이로 제한되는 것은 아니다. 메타물질 엘리먼트 오실레이터 강도, 엘리먼트 커플링, 및 품질 인자는 가용한 대역폭 및 어퍼처에 관해 고려될 수 있다. 이들 핵심 속성들의 비는 가용 공간-대역폭 곱 - 이미징 디바이스들을 위해 핵심적인 메트릭의 주요 관리 인자들이다. 장면 희소성 및 깊이는 압축 기법이 광범위한 하드웨어 및 알고리즘 방법들에 걸침에 따라, 압축 이미징이 중요해질 수 있다. 정보가 얻어지는 (interrogate) 장면의 합성은 적절한 압축 이미징 분석 기법들 및 데이터 수집의 요구된 수 및 희소성에 대한 중요한 암시를 갖는다. 결국 이들은 메타촬상기 트랜시버 패널의 목표된 구성에 대한 암시를 갖는다. 빔 기초-세트 선택은 메타촬상기 트랜시버 구성의 레이아웃에 영향을 주고 샘플링 다양성의 빔-구성들이 걸치는 범위를 발생시킬 수 있다. 이들 구성들 중 많은 부분들은 특히 랜덤/의사 랜덤 구성들에 의존할 때 불필요해질 수도 있다. 샘플링 다양성이 최대화될 때, 기초 내에서 사소한 퇴보가 예상되지만, 과도한 퇴보는 신호-대-잡음 및 그에 따라 이미징 속도에 부정적으로 영향을 줄 수 있고, 따라서 계산 전력을 낭비한다.
실시예들에 따라, 전자-광학 (EO)/적외선 (IR) 센싱 및 그래픽 프로세싱 장치 (GPU) 프로세싱이 통합될 수도 있다. 메타촬상기의 평면적인 기하구조는 플랫 패널 형성 인자의 EO/IR 센싱의 단순한 통합을 가능하게 한다. EO 검출기들은 가시적인 파장들에서 이미징을 가능하게 할 수 있다. 이는 다중스펙트럼 방법이 몇몇 장점들을 도출할 수 있고, 가장 중요한 것은 ㎜W 및 EO/IR에 투과형이거나 의복 또는 사람의 피부에 비해 낮은 콘트라스트를 나타내는, 물질들을 획득시 극적으로 증가된 어려움 때문에, 단순한 대책들에 대한 개선된 저항성이다. 부가적으로, EO/IR 이미지는 대상 기하구조의 현실적인 캡처를 보장하기 위해 ㎜W 이미지를 압축 센싱한 것을 유효하게 한다. 회절 제한 시, EO/IR 센서의 ㎛-스케일 파장들은 ㎜W 센서보다 높은 범위 및 각 해상도를 지원한다. 이미지로부터 추론된 표면들은 주어진 장면의 물질들의 전자기 속성들을 해결하기 위해 사용된 그린 함수에 대한 경계 조건들을 규정하도록 사용될 수 있다.
PRIMESENSE® 센서와 같은, 단순하고, 저비용의 구조화된 광 EO/IR 센서들을 사용하여 대상 기하구조를 캡처한 초기 결과들은 도 5에 도시된 바와 같이, 실시간으로 3D 대상 포즈 정보를 캡처할 가능성을 나타낸다. 이들 센서들은 게임 애플리케이션들 (예를 들어, MICROSOFT® KINECT® 시스템) 에서의 사용으로 인해 급속하게 상품화된다. 동시에, GPU 프로세싱은 메인스트림이 되고 매우 고성능의 멀티코어 GPU들이 저비용으로 이용가능해진다. 예를 들어, 도시된 3D 대상 포즈들을 프로세싱하기 위해 사용된 NVIDIA 페르미 직렬 GPU는 아마도 $100 미만의 비용으로 1.2 ㎓에서 동작하는 352 CUDA 코어들을 포함한다.
EO/IR 및 ㎜W 데이터의 조합으로부터 실시간으로 장면을 분해하는 능력은 대량 수송 및 빌딩 보안 애플리케이션들과 같은, 제약되지 않은 복잡한 장면들의 이미징을 위해 필요한 능력이다. 이들 애플리케이션들에서, 이미징이 기계적으로 스캐닝된 센서 어레이로 수행되는 동안 대상들이 중단될 것을 요청하고 고정된 포즈를 가정하는 전통적인 포털-기반 ㎜W 촬상기들을 설치하는 것은 실현불가능하다. 메타촬상기의 완전히 전자적인 이미지 획득은 EO/IR 센서로부터 이용가능한 이미지 품질 및 고 프레임 레이트들에 의해 보완된다.
메타촬상기 기술에 의해 실현된 잠재적인 이미징 성능 개선들에 부가하여, 메타촬상기는 오늘 기계적으로 스캐닝된 ㎜W 트랜시버 어레이들보다 훨씬 낮은 획득 및 유지 비용을 도출할 수 있다고 예상된다. 다수의 트랜시버들의 기계적으로 스캐닝된 어레이로부터 완전히 전자적인 메타촬상기로의 천이는 결국 대량 수송 플랫폼과 같은 혹독한 환경 내의 임의의 기계적 시스템을 괴롭힐 수도 있는 먼지 및 진동으로 인한 실패 모드들을 감소시킬뿐만 아니라, 기계적 어셈블리들의 크기, 중량, 및 고 비용을 없앨 수 있다. 메타촬상기 어레이는 유지보수를 필요로 하지 않는 먼지 및 수분에 견딜 수 있는 인클로저 내에 씰링될 수 있다.
실시예들에 따른 메타촬상기의 평면 기하구조는 고용량 디스플레이 제조 산업으로부터 차용한 기법들에 더하여 잘 확립된 인쇄 회로 기술을 레버리지할 수 있다. 이는 완전히 상업화된 제작 프로세스들을 사용하는 메타촬상기 컴포넌트들 및 서브어셈블리들의 제작을 허용할 수 있다. 메타촬상기 각각을 위해 요구된 단일 RF 트랜시버는 기존의 다중-트랜시버 방법들에 대해 크기 순으로 RF/㎜W 검사의 비용을 감소시키기 위한 잠재력을 갖는다.
실시예들에 따라, 단일 모드 측정 시스템이 제공된다. 일 이미징 양상에서, 메타촬상기 - 단일 검출기에 기반함 - 는 한번에 한 모드를 측정한다. 모드 당 적분 시간은 N 개의 모드들을 동시에 측정하는 시스템의 1/N로 제한된다고 가정되고, - 측정치 내의 잡음이 적분 시간에 비례하면 - 신호-대-잡음 비 (SNR) 는 병렬 측정 시스템보다
Figure pct00005
배 나쁜 것으로 나타난다 (SNR은 잡음의 표준 편차로 나눠진 총 신호 에너지로 규정됨). 메타촬상기는 단일 모드 검출기로서 동작하지만, 2 가지 이유들에 대한 SNR 관점으로부터 전통적인 촬상기에 비해 여전히 유익할 수도 있다. 첫번째 이유는 단 하나의 검출기만이 사용되기 때문에, 매우 낮은 잡음 검출기에 투자할 가치가 있다는 것이다. 수 백 또는 잠재적으로 심지어 수 천 개의 모드들이 센싱되면, 보다 높은 품질 검출기로 인한 공칭 비용 증가는 병렬 측정 시스템의 전체 시스템에 대한 엄청난 비용 증가로 폭발적으로 증가한다. 이러한 단일 모드 시스템의 SNR이 단점이 아닌 두번째 이유는 시스템이 샘플링되는 모드들의 선택 시 잠재적으로 동적이라는 것이다. 예를 들어, 장면이 동적이고 매 투영와 함께 연속적으로 추정되면, 동적 모드 선택 능력들은 보다 많은 에너지가 장면 내의 문제의 영역들 상에 집중하게 할 수도 있다. 이는 단일 모드가 문제의 모드인 극단적인 경우에서, 전체 샘플링 기간은 이 모드를 샘플링하도록 전용될 수 있고, 이는 단일 모드 촬상기에 동조하는 제곱근 장점의 방향을 뒤집는다.
지금까지 메타촬상기 시스템들 상의 작업은 X-대역 주파수들에서 1D (각도 차원만을 따라 변화) 및 1+1D (하나는 각도 차원을 따라 그리고 하나는 범위 차원을 따라 변화) 구현에 집중하였다. 두 이미징 모드들은 도 8의 A에 도시된 동일한 마이크로스트립 송신선 메타안테나를 사용하지만, 상이한 데이터 획득 및 계산 방법들을 사용한다. 1D의 경우, 반환된 신호의 진폭이 기록되고 각도 변화를 갖는 장면들만이 재구성될 수 있다.
1+1D의 경우, 위상 정보가 또한 기록될 수 있고 각도 및 범위의 변화를 갖는 장면들이 재구성될 수 있다. 주파수 각각은 일 공간 샘플링 모드를 반송하기 때문에, 측정된 데이터는 많이 압축된다. 장면이 이미징되는 거리를 정확히 아는 것으로, 공간 모드들의 완전한 세트를 획득하고 각도 이미지를 회절 제한까지 완벽하게 재구성할 수 있다. 또한, 객체가 존재하는 각도가 정확하게 알려지면, 객체의 범위는 등가의 대역폭의 짧은 펄스의 정확도로 위치될 수 있다. 어떤 기준에서 장면이 드물다고 아는 것은 이들 충돌하는 문제들 간의 균형을 가능하게 한다. 다양한 각도들 및 범위들의 타입의 포인트들에서 1+1D 장면들의 재구성 (각도 및 범위) 은 도 8의 B에 도시된 바와 같이 획득된다. 재구성된 이미지들은 도 9에 도시된다.
일 실시예에서, 확장성의 실연으로서, 100 ㎓로 스케일링된 공진기 설계들은 약 25 ㎛ 또는 1 ㎜의 최소 피처들을 갖는, 500 ㎛ 차수의 단위 셀 크기를 가질 수 있다. 이들 100 ㎓ 메타촬상기들에 대한 예상된 제조 제약사항들은 적합한 제조 기법들 및 상업적 판매자들과 호환가능하다. 예를 들어, 판매자 MicroConnex는 리소그래피 기법들을 사용하여 광범위한 기판들에 대해 30 x 30 ㎝에 걸친 25 ㎛ 추적-간격을 달성할 수 있다. 재료 요건들은 또한 이들 주파수들에서 용이하게 만족되고, 구리 도전체들 및 폴리이미드 기판들은 통상적으로 호환가능한 선택들이다.
일 실시예에서, 실리콘 및 폴리실리콘 기판들은 1OO ㎓를 통해 동작가능한 메타촬상기를 형성하기 위해 사용된다. 많은 표준 CMOS 프로세스들의 호환성은 산란 엘리먼트들로의 활성 영역들의 통합을 가능하게 할 수 있다. 이는 동적 어퍼처들을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 실리콘 및 폴리실리콘 영역들은 산란 엘리먼트 응답에 영향을 주는 적합한 화학적 또는 전자적 도핑을 사용하여 수정될 수 있다. 이러한 활성-메타물질 기법들은 관련된 ㎜W 주파수들에 적용가능하도록 실연되었다.
실시예들에 따라, 메타물질들은 장면 데이터의 최적의 압축 이미징을 위해 구성될 수 있는 어퍼처를 형성하도록 사용될 수도 있다. 이러한 유연한, 설계자 어퍼처는 장면 압축이 장면의 제한된 샘플링 포스트프로세싱 - 완전한 회절과 연관된 검출기, 저장, 및 송신 비용들을 회피하는 - 보다는 물리적 하드웨어 층 상에서 수행되게 할 수 있다. 이 방법을 실연하기 위해, 도파된 파형 메타물질 어퍼처는 K-대역 (18 내지 26 ㎓) 주파수에서, 기계적 스캐닝을 회피하기 위해 주파수 다양성을 사용하여, 2차원 희소 정지 장면 및 비디오 장면의 고속, 압축 이미징을 수행하기 위해 사용되었다. 이미지 획득은 40:1 압축 비로 달성될 수 있다.
이미징 시스템들은 객체 차원 (예를 들어, 사진용 2D) 및 정보 차원 (예를 들어, 이미지 내의 픽셀들의 수) 에 의해 특징화될 수 있다. 많은 종래의 이미징 시스템들은 장면의 본질적인 정보 콘텐트와 무관하게, 객체 차원이 정보 차원 내에서 보존되어야 한다는 가정에 맞춰 구축된다. 압축 측정치들은 측정치들이 이러한 관점으로 차원의 형태를 보존할 필요가 없다는 실현을 레버리지한다. 실제로, 차원의 개념은 측정치들이 어떤 공간에서 잘 정돈 (well-ordered) 되었다는 것을 가정한다. 이러한 정돈은 인접한 측정치들이 유사한 객체 데이터를 샘플링한다는 것을 암시한다. 그러나, 정보 전달 효율은 연속하는 측정치들에 의해 측정된 객체 데이터가 가능한 뚜렷하면 최대화될 수 있다.
회절 제한에서, 이미지를 형성하기 위해 사용된 어퍼처의 유한한 크기는 임의의 장면을 정확하게 재현할 필요가 있는 측정 모드들의 수와 동일시하는, 최소 픽셀 치수 N을 이용한다. 이 치수는 SBP (space-bandwidth product) 로 공지되었다. 종래의 이미징 시스템에서, 측정 모드들은 장면의 모든 부분들을 샘플링하는 회절-제한된 스폿들로서 생각될 수도 있다 (예를 들어, 도 12의 A 참조). 이들 모드들은 검출기 평면 내에서 중첩을 거의 또는 전혀 갖지 않기 때문에, 이들은 CCD (charge-coupled device) 어레이와 같은 N 개의 검출기들과 거의 독립적이고 동시에 획득될 수 있다. 그러나, 통상적인 장면에 대해, 많은 모드들이 유용한 데이터를 거의 또는 전혀 제공하지 않고, 이러한 이유로, 자연적인 이미지들이 이미지 정확도의 과도한 손실 없이 실질적으로 압축될 수 있다. 거의 모든 전자 이미지들이 이제 JPEG과 같은 알고리즘들을 사용하여 압축되고, 대부분의 장면들이 불필요한 정보를 포함하는 특성은 압축 샘플링의 핵심에 있다.
측정모드는 이미징 프로세스가 관계식 g= Hf으로 수학적으로 표현될 수 있도록 일반화될 수 있고, 여기서, g는 측정치들의 집합이고, H는 측정치 행렬 (모든 측정 모드들의 열방향 어레이) 이고, f는 샘플링된 장면이다. 측정치들의 완전히 결정된 데이터세트를 형성하기 위해 (따라서 f에 대한 고유한 솔루션을 실현하는), H의 순위는 장면의 SBP와 같아야 한다. 압축 샘플링은 불충분하게 결정된 장면들의 재구성을 가능하게 하고, 최소화 문제 arg min
Figure pct00006
을 사용하여 f를 발견하고, 여기서, R(f) 는 장면의 가능한 합성에 관한 일부 사전 지식들을 표현한다. 통상적으로, 압축 샘플링 시, R은 l1-표준 (norm) 이고, 이는 자연적인 장면들에 존재하는 본질적인 희소함을 반영한다. 이러한 비선형 최소화 문제는 매우 불충분하게 결정된 측정 데이터세트들을 사용하여도 철저하게 풀 수 있다.
무선 주파수 및 밀리미터파 전자기용 이미징 시스템들은 일반적으로 2 가지 타입들: 단일 픽셀 체인 시스템들 및 멀티-엘리먼트 페이즈드-어레이들 (또는 합성 페이즈드 어레이들) 이다. 전통적인 단일 픽셀 시스템들에 의해 사용된 측정 모드들은 통상적으로 이미징 데이터를 수집하는데 비효율적이다. 예를 들어, 래스터라이징 스캐닝된 빈 (rasterizing scanned bean) 은 한번에 공간 내의 단지 한 지점에 관한 정보를 수집한다 (본 명세서에 제공된 예시적인 기술들을 참조). 멀티엘리먼트 페이즈드 어레이 시스템들은 이들이 액세스할 수 있는 측정 모드들 내에 훨씬 많은 유연성을 갖지만, 단일 픽셀 시스템들을 매력적이게 하는 크기, 중량, 전력, 및 가격 장점들을 희생한다.
본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 메타물질 어퍼처는 맞춤-설계된 측정 모드들을 지원하도록 제작될 수 있기 때문에 압축 이미징을 위한 고유한 장점들을 갖는다. 메타물질들이 많은 다른 문맥들에서 보여준 동일한 전자기 유연성을 레버리지하는 것은, 단일 또는 멀티-픽셀 동작에 적합한 이미징 어퍼처는 거의 모든 측정 모드들을 원거리-필드로 투영할 수 있게 구성될 수 있고, 어퍼처 및 공진 엘리먼트들의 크기에 의해서만 제약될 수 있다. 분산된 모드를 장면에 투영하기 위해 사용되는 홀로그램 (메타물질들로부터 형성될 수 있는) 을 도시하는, 도 12의 B 에 압축 촬상기의 근본적인 개념이 예시된다. 이 스킴에서, 단일 픽셀은
Figure pct00007
로 평가되는, 단일 (i번째) 측정치를 검출한다. 이러한 압축 이미징 형태의 임의의 적합한 구현예가 사용될 수 있다. 예로서, 일련의 랜덤 정적 변조 마스크 및 동적 공간 변조 마스크를 사용하는 테라헤르츠에서의 유사한 방법이 사용될 수 있다. 다양한 다른 방법들은 모드 다양성을 도입하기 위한 부가적인 방법들을 제공할 수 있다.
압축 이미징 스킴의 물리적 구현예가 알고리즘 구현예를 만족하는 이 지점에서 측정 모드들이 시스템 성능을 획득하기 위해 형상이 만들어져야 한다. 본 주제의 실시예들에 따른 예시적인 방법은 1차원 메타물질 어퍼처를 사용한다. 이는 다양한 2차원 (일-각도 + 범위) 표준적으로 희소한 장면들의 압축된 이미징을 수행하기 위해 사용될 수도 있다. 거의 모든 장면들이 일부 기준에서 희소하지만, 표준적으로 희소한 장면들이 사용될 수도 있다. 이 예에서, 시스템은 보안 스크리닝 애플리케이션들에 관련될 수도 있는 무금속 환경에서 적은 양의 금속의 검출 및 탐색을 위해 사용될 수도 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같은 이미징 디바이스는 상보적인 전기-LC (cELC) 메타물질 엘리먼트들 (예를 들어, 도 13의 A 참조) 을 사용하여 표준 마이크로스트립 선의 상단 도전체를 패터닝함으로써 형성된, 누설형 도파관을 포함할 수도 있다. 이는 어퍼처가 1차원이 되는 것을 제외하고, 도 12의 C의 압축 이미지의 개략적인 표현과 유사하다. cELC 각각은 도파관 모드로부터 자유 공간으로 에너지를 커플링하는 공진 엘리먼트로서 기능한다. cELC의 중심 주파수 및 스펙트럼 형상은 원거리 필드 모드들이 마이크로스트립을 따라 cELC들의 기하구조를 수정함으로써 설계될 수 있도록, 송신된 파형의 진폭 및 위상을 제어한다 (본 명세서에 기술된 예들을 참조). 유한-엘리먼트, 전파 (full-wave) 솔버 (solver) (예를 들어, Microwave Studio에 의해 제공된 솔버, CST) 가 cELC들로부터의 방사선의 특징화 및 상세한 설계를 위해 사용될 수 있다. 개별 엘리먼트들의 설계 및 분포를 제어함으로써, 거의 모든 목표된 어퍼처 모드가 생성될 수 있다.
표준적으로 희소한 장면들에 대해, 측정 모드들의 효율적인 세트는 장면의 진폭 및 위상 공간 양자에 걸쳐 랜덤하게 에너지를 분포한다 (예를 들어, 도 12의 B 참조). 이러한 랜덤성은 일부 모드 인덱싱 파라미터에 관해 표현된다. 공진 메타물질 엘리먼트들 내의 분산은 주파수가 모드-인덱싱 파라미터에 대한 자연스러운 선택이 되게 하여 측정 모드들과 주파수 간의 맵핑을 생성한다. 따라서, 가용 대역폭에 걸쳐 일루미네이팅 신호의 주파수를 스윕핑함으로써, 어퍼처 모드들이 순차적으로 액세스될 수 있다. 측정 모드들의 임의의 세트를 사용하는 이미지 재구성 시, 모드들이 가능한 한 서로 직교할 필요가 있고, 이는 공진의 선명도 (sharpness) 및 분리에 대한 요구들을 평가한다 (본 명세서에 개시된 예들 참조).
실험 시, 길이가 16"인, 18.5 내지 25 ㎓의 K-대역에서 동작하도록 설계된, 랜덤 모드 어퍼처가 제조된다. 이 설계를 위한 측정 모드들의 2 개의 샘플들이 도 14의 A 및 B에 플롯되고, 완전한 측정 행렬이 도 14의 C에 플롯된다. 메타물질 어퍼처는 일루미네이션 소스로서, 수신기로서 사용될 수 있거나 트랜시버로서 두 기능들을 위해 동시에 사용될 수 있다. 구성 각각은 상이한 시나리오들에 대해 장점들 및 단점들을 갖고; 본 명세서에 제공된 실연에 대해, 메타물질 안테나가 수신기로서 사용된다. 이러한 구성에서, 장면들은 단일 소스 - 저-지향성 혼 안테나 - 로부터 원거리-필드 방사에 의해 일루미네이션된다. 장면 내의 객체들로부터의 백산란된 방사는 메타물질 어퍼처에 넘치고 (flood), 이는 측정된 주파수 각각에서 단지 하나의 구체적인 모드만을 선택적으로 승인한다. 결과적인 (복소) 신호는 도 13의 A의 예에 도시된 바와 같이, Agilent 8365B 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 측정된다.
메타물질 어퍼처의 이미징 능력들을 시험하기 위해, 몇몇 단순하고 희소한 장면들이 4 m X 4 m X 3 m 무반향 챔버 내부에 형성된다. 장면 각각은 챔버 내의 임의의 위치들에 위치된, 직경 10 ㎝의, 2 또는 3 개의 산란 객체들 (역반사체들) 을 포함한다. 도 15의 하단 이미지는 장면 각각이 컬러로 플롯된 (그러나 도 15에서는 그레이스케일로 도시됨), 4 개의 이러한 장면들을 도시한다 (R로 지정된 적색, G로 지정된 녹색, BL로 지정된 청색, 및 BK로 지정된 흑색). 컬러 포화는 K-대역에서 재구성된 장면 산란 밀도를 나타내고, 객체들의 실제 위치들은 완전한 컬러의 "+"로 주어진다. 모든 장면들은 TwIST 코드 (22) 를 사용하여 재구성된다 (본 명세서에 기술된 예들 참조).
이 크기 및 대역폭의 어퍼처에 대해, 회절 제한된 각도 해상도는 1.7°이고 대역폭 제한된 범위 해상도는 4.6 ㎝이다. 각도 ± 70° 및 범위 1.5 내지 4 m의 시계에 걸쳐, 이는 4482의 SBP를 제공한다. 그러나, 우리의 측정치는 40:1보다 큰 압축비를 나타내는 - 101 개의 값들만을 포함한다. 이를 고려하면, 래스터 스캐닝된 빔 촬상기는 또한 101 개의 랜덤하게 선택된 측정치들이 이들 장면들 각각이 시간 중 2.3 ％만 이들 장면들 각각을 성공적으로 이미징할 수 있게 한다 (본 명세서에 제공된 예 참조).
도 15에 도시된 바와 같은 장면들에 대한 완전한 데이터세트의 획득은 단지 100 밀리초만을 필요로 하고, 이는, 움직이는 장면들을 이미징하는 것이 가능성을 감질나게 하게 한다. 압축-이미징의 관점으로부터, 폭력적인 프레임-대-프레임 재구성은 연속적인 장면들을 재구성하기에 비효율적인 방법일 수 있다. 단일 장면들의 희소성에 관한 사전 정보가 97 ％의 손실 정보 (40:1 압축) 를 사용하여 이미지를 재구성하는 것을 돕는 것과 같은 방식에서, 장면들의 프레임-대-프레임 수단 비디오의 연속성에 관한 지식이 공간-시간 기준으로 가장 적절하게 재구성된다.
움직이는 장면들의 이미징을 실연하기 위해, 100 mS 스윕핑들이 객체가 이 장면을 통과하는 동안 반복된다. 재구성 동안, 장면들의 공지의 프레임간의 연속성이 압축 재구성을 위한 정규화 파라미터를 선택하는 것을 돕기 위해 레버리지될 수 있다. 이 기술을 사용하여, ~0.2 m/s로 선형 경로 상에서 장면을 통과하는 단일 산란 객체가 이미징되고 추적될 수 있다. 도 16은 이러한 재구성을 도시한다. 플롯은 각도 및 범위의 객체 위치, 시간의 함수로서 속도를 도시하고, 플롯된 보셀 각각의 투과성을 통해 검색된 객체 산란 밀도를 도시한다. 보셀들은 공간-시간 해상도를 정확하게 나타내도록 크기가 정해진다. 복잡한 데이터 공간을 보다 시각적으로 액세스가능하게 하기 위해, 보셀들은 또한 청색으로부터 적색으로 시간에 맞춰 컬러 코딩되지만, 이는 본 명세서에서 그레이스케일로 도시되었다. 이 데이터는 본 명세서에 기술된 바와 같은 객체 움직임의 웹-캠 레코딩과 함께 - 전통적인 비디오 포맷 (xH264 인코딩된 MPEG4) 으로 제공된다.
이 실험에서의 획득 속도는 주로 네트워크 분석기에 의해 제한되고, 이는 고 동적 범위 또는 스윕핑 속도보다는 임의의 선형 네트워크들을 정밀하게 특징화하는 동작 유연성에 대해 설계된다.
본 명세서에 제공된 어퍼처는 정적인, 맞춰진 세트 측정 모드들을 통해 실현될 수 있다. 메타물질 엘리먼트들의 통합 동적인 튜닝은 이용가능한 어퍼처 모드들의 완전한 세트가 임의의 장면에 대해 과-결정된 (over-determined) 솔루션을 형성하도록 확장될 수 있는, 재구성가능한 측정 모드들을 실현할 수 있다. 이는 현재 이미징 태스크에 가장 적합한 모드들의 서브세트에 대한 하향 선택을 가능하게 한다. 동적-어퍼처 시스템은 메타물질들의 응답을 튜닝하기 위한 기본의 기법들을 레버리지함으로써 이루어질 수 있어서, 측정 모드들을 인덱싱하기 위해 부가적인 제어 파라미터들 - 전기 전압과 같은 - 을 부가한다. 동적 튜닝은 또한 하이퍼스펙트럼 이미징을 효율적으로 실현하는 - 주파수 대역폭으로부터 독립적으로 또는 주파수 대역폭과 시너지적으로 작동하도록 어퍼처를 비운다. 하이퍼스펙트럼 이미징은 이미징 분산 물질들로부터 일어나는 잠재적인 문제들을 완화할 수 있고, 일부 경우들에서 물질 식별이 가능하게 할 수도 있고, 전체 이미지 재구성 품질을 개선하는 것을 돕는다.
본 명세서에 개시된 이미징 시스템들은 일루미네이션 및/또는 레코딩을 구현하기 위해 사용된 물리적 층 상에서 압축이 수행되게 하는 맞춤 어퍼처 하드웨어를 사용한 계산적인 이미징 방법을 조합할 수 있다. 메타물질들의 사용은 메타물질 기법들이 잘 이해된 설계 경로를 제공하기 때문에, 이러한 어퍼처들의 생성을 위한 툴로서 사용될 수 있다. 메타물질 엘리먼트들의 공진 속성을 레버리지하는 것은 또한 부피가 크고 느린 기계적 스캐닝 장치 또는 고가의 깨지기 쉬운 위상-시프팅 엘리먼트들 없이 모드-세트를 통해 빠르게 스윕핑하도록 모든 전기적인 방법을 제공한다.
실시예들에 따라, 임의의 장면 (기존의 근거리-필드 존 외부에 존재하는) 을 이미징하기 위해 임의의 방사선 어퍼처의 사용을 기술하는 포워딩 모델이 도출된다. 이들 친숙한 레이더 수식의 도출은 상당한 중첩을 알게 할 수도 있지만, 일루미네이션-필드 내의 위상의 중요성은 전통적인 레이더 표현들과 달리, 전기장을 일관되게 고려할 것을 요구한다.
일 어퍼처가 장면을 일관되게 일루미네이션하고 제 2 어퍼처가 장면에 의해 산란된 광을 일관되게 수신하는 시스템을 고려한다. 어퍼처 각각은 단일 소스/검출기에 커플링될 수도 있다. Stx(x) 를 검출기로부터 일루미네이팅 어퍼처 Atx 상의 지점 x로의 전달 함수라고 하고, Srx(x) 를 검출기로부터 수신 어퍼처 Arx 상의 지점 x로의 전달 함수라고 한다. 이어서 소스 전기장 크기 Es에 대해, 송신 어퍼처에 걸친 전기장은
Figure pct00008
로 주어진다.
수신 안테나 어퍼처에 걸쳐 들어오는 전기장 Erx(x)에 대해, 검출기에서의 전기장 크기는
Figure pct00009
이다.
그러면 송신 어퍼처 (Ex = 1) 에 의해 생성된 장면-지점 x'에서의 전기장은 콘볼루션에 의해
Figure pct00010
로 주어진다. 여기서,
Figure pct00011
은 자유-공간 파형 전파의 그린 함수이다.
일반성을 손실하지 않고, 장면 내에서 N 지점들의 개별 세트만이 고려될 수 있다. 관찰 지점 X'n에서의 전기장을 En으로 표기한다. 유사하게, 송신 어퍼처는 Atx 수의 방사 엘리먼트들의 유한한 집단으로서 어퍼처를 고려함으로써 이산화될 수 있고, 어퍼처 위치 xa에서의 방사기의 방사 패턴은 Rna로 주어진다. 그러면 방사된 필드에 대한 콘볼루션은
Figure pct00012
가 된다.
또한 어퍼처를 Arx 수의 방사 엘리먼트들의 유한한 집단으로서 고려함으로써 이산화할 수 있고, 어퍼처 위치 xa'에서의 방사기의 방사 패턴은 Rna'로 주어진다. 그러면 검출된 전기장 크기에 대한 적분은
Figure pct00013
이다.
'장면'은 전기장 Ei(x') 이 장면 내의 지점 상으로 들어올 때, 이 지점에서의 산란된 전기장 크기가
Figure pct00014
가 되도록 공간적으로 변하는 산란 밀도 f(x')로서 규정될 수도 있다. 장면이 이산화될 때, 지점 x'n에서의 장면 '패치'로부터의 산란 밀도는 fnFijn이 되고, Fijn은 패치가 지점 xj로부터 일루미네이팅될 때 관찰 지점 xi로의 산란의 쌍안정 산란 패턴이다. 이러한 방식으로 장면-전기장 상호작용을 이산화하는 것은 장면 이산화가 Es(x') 의 변화가 거의 없도록 충분히 미세할 때 패치 x'n의 면적에 대해 유지하는 개략적일 수도 있다.
지금까지의 공식은 이 장면과 더 상호작용하는 소스로서 Es(x') 각각을
Figure pct00015
과 같이 다루는, 장면 내의 다수의 반사부들을 포함할 수도 있다. 그러나, 단순화하기 위해, 다중-경로 산란은 무시될 수도 있다. 이어서, 장면 내의 지점 xn으로부터 수신 어퍼처 상의 xa로 다시 산란된 전기장은
Figure pct00016
로 주어지고, 장면의 모든 지점들로부터 지점 xa에서의 총 전기장은
Figure pct00017
이다. 이어서 수신 어퍼처 상의 모든 방사기들로부터 검출기에서의 전기장 크기는
Figure pct00018
이다. 합을 다시 정렬하면,
Figure pct00019
가 된다.
이러한 선형 수식은
Figure pct00020
와 같이 행렬 형태로 작성될 수 있고, 여기서,
Figure pct00021
이다.
hn을 수식 S2.4와 비교하면, 송신 어퍼처 및 일루미네이팅 어퍼처에 걸친 합산은 어퍼처들에 의해 방사된 그 필드들이라는 것을 주의한다. 따라서,
Figure pct00022
이다.
장면 패치 산란 팩터 (Fa'an) 가 정수 (F) (장면이 등방성 지점 산란기들로 구성되면) 이거나 Fn이 되도록 xa 및 xa'에 독립적이면 (장면이 어퍼처의 원거리-필드 내에 있으면), hn은 더 단순화될 수 있다.
Figure pct00023
장면이 검출기에서 측정된 M 개의 전기장 진폭들을 제공하는 M 상이한 송신/수신 어퍼처 조합들로 일루미네이션되면, 모든 측정치들의 벡터는
Figure pct00024
또는
Figure pct00025
로 표현되고,
Figure pct00026
및
Figure pct00027
는 m번째 송신 어퍼처 필드 분포이고
Figure pct00028
는 m번째 수신 어퍼처 분포이다. 송신 어퍼처 및 수신 어퍼처는 동일한 필드 패턴을 동시에 가질 수도 있고 심지어 동일한 어퍼처일 수도 있다. 본문에서 메타물질 촬상기가 제공되는 경우,
Figure pct00029
는 피라미드 혼 안테나의 방사 패턴이고
Figure pct00030
는 메타물질 안테나의 방사 패턴이고, m은 측정 주파수에 대한 인덱스이다. F는 정수로 가정된다. 수식 S2.15 및 S2.16은 계산적인 이미징 관점으로부터 이미징 문제의 완전한 표현을 형성한다.
실시예들에 따라, 단일 모드 도파관을 공급함으로써, 엘리먼트들의 1차원 스트립 상의 어퍼처 전기장을 발견하기 위한 방법이 제공된다. 제 1 근사치에 대해, 1차원 메타물질 도파관 어퍼처의 어퍼처 필드는 이 동작에 사용되는 바와 같은 전달-행렬 방법을 사용하여 풀릴 수 있다. 이 모델은 - 메타물질 엘리먼트들 간에 발생하는 표면-파형 커플링을 고려하는 것이 실패할 수도 있기 때문에 - 불완전할 수도 있지만, 어퍼처 필드의 정성적인 관점을 제공하기에 충분하다. 일단 어퍼처 필드가 공지되면, 나머지 이미징 문제는 본 명세서에 기술된 바를 따른다.
cELC 각각은 단위-셀의 전파 유한 엘리먼트 시뮬레이션에 의해 획득된 산란 송신 (T-) 행렬을 사용하여 묶여진 (lumped) 회로 엘리먼트로서 다뤄질 수도 있다. 도 17의 A 및 B는 본 명세서의 상세한 설명으로부터 도출된 방법을 도시한다. 노드 각각에서, 순방향 전파 파형 및 역방향 전파 파형은
Figure pct00031
로 표현될 수도 있다.
T-파라미터들로 작성된 셀 각각에 걸쳐 전달 함수는
Figure pct00032
Figure pct00033
이다.
이들 묶여진 회로들은 각각 고유한 T-행렬들을 갖는 N 개의 단위-셀들로서 송신선의 길이 아래쪽으로 균일하게 분포되고, 이는 N+1 노드 전압들 (공지의 입력 전압과 함께) N 개의 선형 수식들의 시스템을 제공한다. 이어서, 단위-셀 대칭 및 평균-값 이론에 의해, 단위-셀 (n) 의 중심에서 복소 전기장은 내부를 향하여 이동하는 파형들의 평균이고,
Figure pct00034
와 같이 작성될 수 있다.
Figure pct00035
는 cELC 메타물질 공진기 엘리먼트를 구동하는 유효한 전기장이다. cELC 단위-셀은 거의 다이폴과 같이 거동하고, 이는 우리가 어퍼처 상의 방사 필드에 구동 필드를 관련시키게 하고,
Figure pct00036
여기서, Γn 및 An은 s-파라미터들에 피팅된다. 도 17의 B는 장비에 사용된 랜덤 엘리먼트 설계를 위한 도파관 구동 필드의 진폭
Figure pct00037
및 방사 어퍼처 필드의 진폭
Figure pct00038
에 대한 솔루션을 플롯한다.
고유한 측정 모드들의 세트를 생성하기 위해 주파수 스윕핑을 사용하는 것은 어퍼처를 따르는 지점들에서의 복소 전기장이 상이한 주파수들에 대해 충분히 구별될 것을 요구한다. 제한된 대역폭이 사용될 때, 주파수들 간의 간격은 사용될 모드들의 수만큼 조여진다 (constricted). 예를 들어, K-대역 수단 모드 주파수들에 대해 101 모드들이 45 ㎒만큼 분리될 수 있다. 큰 거리에 의해 공간적으로 분리된 어퍼처 지점들에 대해, 또는 큰 주파수 파이들에 대해, 도파관 내에서의 상이한 위상 진행은 - 종래의 주파수-스캐닝된-어레이에 사용된 전통적인 누설-슬롯된 도파관의 동작으로서 - 이 조건을 보장한다. 그러나, 인접한 지점들에 대해, 도파관 내에서 거의 위상차가 없고, 메타물질 엘리먼트들의 공진은 어퍼처 필드를 공간적으로 구별하기 위해 이 지점들에 의존한다. 이러한 고려 사항은 이하의 예에 기술된 바와 같이, 품질-계수 (주파수 공간 내에서의 공진의 선명도) 를 우선순위화하는 cELC 엘리먼트들에 대한 설계 방법으로 유도한다.
cELC 메타물질 엘리먼트는 공통 ELC 엘리먼트, 스왑핑된 (swapped) 전기 및 자기 편광 벡터들에 대해 유사하게 거동할 수 있다. 이는 자유-파형 전파를 위한 캐스캐이드 RLC 대역통과 네트워크와 유사하게 거동할 수도 있다. 다양한 기하구조 차원들은 저항, 인덕턴스, 및 커패시턴스에 영향을 줄 수도 있고, 이는 결국 RLC 네트워크의 섹션들의 특징들을 다음과 같이 수정한다:
Figure pct00039
cELC의 설계 공간을 탐색하기 위해, 전파 솔루션들이 Computer Simulation Technologies의 Microwave Studio의 유한 엘리먼트 코드를 사용하여 수행된다. 이 조사 결과는 도 18에 도시된 유효한 회로 모델이고, 이는 상이한 기하구조들의 상호작용을 기술한다. 일단 파라미터 공간이 이해되면, 하나의 설계가 이하에 배열된 우선순위-리스트에 대한 최적화 문제 대상으로 다뤄질 수도 있다:
1) 제조 공차에 비교적 민감하지 않은, 기하구조 파라미터를 사용하여 K-대역 스펙트럼에 걸쳐 공진 주파수의 제어를 실현한다.
2) 공진기의 품질 계수 (Q) 를 최대화한다.
3) 도파관에 대한 공진기의 방사상의 커플링을 최소화한다.
4) f0와 Q & A의 상호의존성을 최소화한다.
커패시턴스 값 및 인덕턴스 값 각각은 길이 및 폭에 의해 제어될 수 있다. 이들 길이 및 폭의 최종 선택을 위한 프로세스는 다음과 같을 수도 있다: 도 18의 (a) 에 도시된 바와 같이 확장하는 기하구조는 최소 피처 크기가 100 ㎛인 제조 제약사항 내에서 변한다. #3 금속 스트립 (L3) 의 길이는 전체 K-대역에 걸친 공진 주파수의 제어를 실현하는 단일 기하구조 피처로서 식별된다. 병렬 캐패시턴스 (C2 및 C4) 를 최대화하는 것은 Q를 최대화하여, 이들 폭 (w2 및 w4) 은 최소 (100 ㎛) 로 설정될 수 있다. C1은 최소화되어, 폭 (w1) 이 비교적 큰 200 ㎛로 설정될 수 있다. 이 지점 이후에, 다른 기하구조 파라미터들이 균형을 이루고, 이는 도 18의 (b) 에 도시된, Q(w3, I2), A(w3, I2), f0(w3, I2), 및 Q/A의 최적 행렬로서 조사될 수도 있다. 선택된 최종 기하구조는 I2 = 350㎛ 및 w3 = 100㎛를 사용한다.
메타물질 촬상기를 사용한 장면 측정은 각각의 주파수에서 복소 전기장 측정치를 제공하는 일루미네이션 및 검출 주파수의 스캔을 포함할 수도 있다. 따라서, 측정 벡터 g는 이미징 시스템의 쌍안정 송신의 주파수 스펙트럼일 수 있다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 이는 선형 수식 g = Hf로 기술되고, f는 공지되지 않은 장면 산란 밀도 (즉, 결정하도록 목표된 이미지) 이고, H는 이미징 시스템의 방사 패턴 대 주파수를 기술하고, g는 측정된 송신 스펙트럼이다. 이미지 재구성의 문제는 최적화 문제에 대한 솔루션을 발견함으로써 해결될 수 있다.
Figure pct00040
장면이 적은 수의 점-객체들로 구성되었다고 공지되기 때문에, 표준 기저에서 희소한 것으로 예상되어 추정된 이미지의 l1-표준을 최소화하도록 선택된다.
다양한 알고리즘들이 이 최적화 문제를 해결하기 위해 사용될 수도 있다. 예에서, Bioucas-Dias 및 Figueiredo에 의해 제안된 TwIST (Two-step Iterated Soft Thresholding) 알고리즘이 사용될 수도 있다. 정규화 파라미터 λ는 하나의 정지 프레임 이미지에 대해 잡음이 없는 이미지를 생성하기 위해 손으로-튜닝될 수 있고, 이어서 이 값은 수정이 없는 (장면 각각이 개별적으로 튜닝되지 않음) 모든 다른 재구성을 위해 사용된다.
상이한 이미징 시나리오들에 대한 고 신호-대-잡음비 (SNR) 및 고 모드-다양성의 장점들 간에 균형이 있다. 고 모드-다양성은 장면이 언더샘플링되게 하여, 비선형 압축 센싱 재구성 기법들을 사용하게 한다. 모드-다양성은 또한 이용가능한 출력 전력을 공간적으로 분포시키고, 표준적으로 희소한 장면으로부터 SNR을 감소시킨다. 본 명세서에서, 이러한 균형이 모드-다양성을 레버리지하는 메타물질 촬상기를 래스터-스캐닝 촬상기와 비교함으로써 기술된다.
고정된 장면 일루미네이션 전력 및 어퍼처 크기에 대해, 양호한 SNR은 장면에 걸쳐 회절-제한된 빔을 래스터 스캐닝함으로써 제공될 수 있고, 이는 항등 측정 행렬 (identity measurement matrix), H = I를 도출한다. 그러나, 래스터 스캐닝된 빔 촬상기는 모드-다양성을 포함하지 않고, 이는 측정들의 수가 장면의 공간-대역폭 곱으로부터 감소되는 것을 의미하고, 스캐닝된 빔은 장면 지점들을 전체적으로 놓치기 시작한다. 이들 경우들에서, 장면의 부분들에 관하여 0 개의 정보가 획득되고, 심지어 비선형 압축 센싱 재구성 기법들은 장면을 정확하게 재구성할 수 없다. 따라서, 스캐닝된 빔 촬상기에 대한 평균 재구성 에러는 언더샘플링으로 고속으로 증가한다.
한편, 본문에 제공된 메타물질 이미징 어퍼처와 비슷한, 랜덤 진폭 및 위상을 갖는 어퍼처는 전체 장면에 걸쳐 감소된 이득 분포를 가질 수도 있다. 이러한 감소된 이득은 스캐닝된 빔 촬상기에 비해 감소된 SNR을 도출하지만, 장면의 모든 부분들이 장면이 급격하게 언더샘플링될 때에도 센싱되는 것을 보장한다. 비선형 추정기들의 도움으로, 이는 랜덤 모드들로 언더샘플링된 표준적으로 희소한 장면들이 높은 정확도로 재구성되게 하고, 제공된 시스템 잡음은 충분히 낮다.
이 균형을 실연하기 위해, 상이한 잡음 및 언더샘플링 조건들 하에서 1차원 (교차 범위만) 1-지점 및 2-지점 장면들의 이미징 및 재구성은 이상적인 스캐닝 빔 촬상기 및 본문에 제공된 메타물질 촬상기를 사용하여 시뮬레이션될 수도 있다. Monte Carlo 조사에서, 1 또는 2 개의 회절 제한된 지점들로 구성된 일련의 랜덤하게 생성된 장면들은 스캐닝된-빔 촬상기 또는 메타물질 촬상기를 사용하여 M 개의 측정치들을 사용하여 이미징되고, RMS 전력 n을 갖는 백색 가우시안 잡음이 측정치들에 추가된다. 이어서 이들 장면들은 다양한 정규화 파라미터들을 갖는 TwIST를 사용하여 재구성되고 진정한 장면들로부터의 결과적인 유클리드 거리는 정규화 파라미터 각각에 대하여 평균된다. 최저 평균 에러는 다수의 측정치들 및 잡음 레벨에 대한 최상의 평균 재구성 에러로서 선택된다. 최상의 평균 에러들은 도 19에서 비교된다.
일 실시예 또는 양태로부터의 특징들은 임의의 다른 실시예 또는 양태로부터의 특징들과 임의의 적절한 조합으로 조합될 수도 있다. 예를 들어, 방법 양태들 또는 실시예들의 임의의 개별 또는 집합적인 특징들은 실시예들의 장치, 시스템, 제품, 또는 컴포넌트 양태들에 적용될 수도 있고 그 반대도 가능하다.
실시예들이 다양한 도면들의 다양한 실시예들과 함께 기술되었지만, 다른 유사한 실시예들이 사용될 수도 있거나 이들로부터 벗어나지 않고 동일한 기능을 수행하기 위해 기술된 실시예에 대해 수정들 및 추가가 이루어질 수도 있다는 것이 이해된다. 따라서, 개시된 실시예들은 임의의 단일 실시예로 제한되지 않지만, 첨부된 청구항들에 따른 범위 및 정도로 해석되어야 한다.
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Claims (188)

  1. 하나 이상의 일루미네이션 필드 패턴들 (illumination field patterns) 로 장면을 일루미네이팅하는 (illuminating) 단계;
    하나 이상의 측정 필드 패턴들로 상기 일루미네이팅된 장면을 관찰하는 단계; 및
    압축 이미징 알고리즘을 사용하여 상기 관찰된 장면의 이미지를 재구성하는 단계를 포함하고,
    상기 일루미네이션 필드 패턴들 및/또는 상기 측정 필드 패턴들은 메타물질 어퍼처 안테나 (metamaterial aperture antenna) 의 방사 패턴들에 대응하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장면을 일루미네이팅하는 단계는 주파수들의 각각의 세트에서 일루미네이션 필드 패턴들의 세트로 상기 장면을 일루미네이팅하는 단계를 포함하고, 그리고
    상기 일루미네이팅된 장면을 관찰하는 단계는 상기 주파수들의 각각의 세트에서 측정 필드 패턴들의 세트로 상기 장면을 관찰하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 주파수들의 각각의 세트는 RF 주파수들의 세트를 포함하는, 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 RF 주파수들의 세트는 마이크로웨이브 주파수들의 세트를 포함하는, 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 주파수들의 각각의 세트는 ㎜W (millimeter wave) 주파수들의 세트를 포함하는, 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 주파수들의 각각의 세트에서 상기 일루미네이션 필드 패턴들의 세트로 상기 장면을 일루미네이팅하는 단계는,
    상기 주파수들의 각각의 세트에서 상기 메타물질 어퍼처 안테나의 입력 포트로 전자기 에너지를 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 주파수들의 각각의 세트에서 측정 필드 패턴들의 세트로 상기 장면을 관찰하는 단계는,
    상기 주파수들의 각각의 세트에서 상기 메타물질 어퍼처 안테나의 출력 포트로부터 전자기 에너지를 수용하는, 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 주파수들의 각각의 세트에서 상기 측정 필드 패턴들의 세트로 상기 장면을 관찰하는 단계는,
    상기 주파수들의 각각의 세트에서 상기 메타물질 어퍼처 안테나에 대한 하나 이상의 S-파라미터들을 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 메타물질 어퍼처 안테나는 조정가능한 메타물질 어퍼처 안테나이고, 상기 일루미네이션 필드 패턴들 및/또는 상기 측정 필드 패턴들은 상기 조정가능한 메타물질 어퍼처 안테나의 조정가능한 방사 패턴들에 대응하는, 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    하나 이상의 일루미네이션 필드 패턴들로 상기 장면을 일루미네이팅하는 단계는,
    상기 조정가능한 메타물질 어퍼처 안테나의 입력 포트로 전자기 에너지를 전달하는 단계; 및
    연속하는 일루미네이션 필드 패턴들을 제공하기 위해 상기 조정가능한 메타물질 어퍼처 안테나를 반복적으로 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 측정 필드 패턴들로 상기 장면을 관찰하는 단계는,
    연속하는 측정 필드 패턴들을 제공하기 위해 상기 조정가능한 메타물질 어퍼처 안테나를 반복적으로 조정하는 단계; 및
    각각의 조정 동안, 상기 조정가능한 메타물질 어퍼처 안테나에 대한 하나 이상의 S-파라미터들을 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    하나 이상의 측정 필드 패턴들로 상기 장면을 관찰하는 단계는,
    연속하는 측정 필드 패턴들을 제공하기 위해 상기 조정가능한 메타물질 어퍼처 안테나를 반복적으로 조정하는 단계; 및
    각각의 조정 동안, 상기 조정가능한 메타물질 어퍼처 안테나의 출력 포트로부터 전자기 에너지를 수용하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 장면을 일루미네이팅하는 단계는 플러드 일루미네이션 (flood illumination) 필드 패턴으로 상기 장면의 플러드 일루미네이팅하는 단계인, 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 플러드 일루미네이팅 단계는 저-지향성 혼 안테나 (low-directivity horn antenna) 로 일루미네이팅하는 단계인, 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 일루미네이션 필드 패턴들로 상기 장면을 일루미네이팅하는 단계는 상기 장면을 집합적으로 채우는 실질적으로 직교하는 일루미네이션 필드 패턴들의 세트를 일루미네이팅하는 단계인, 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 실질적으로 직교하는 일루미네이션 필드 패턴들의 세트는 랜덤 필드 패턴들의 세트인, 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 실질적으로 직교하는 일루미네이션 필드 패턴들의 세트는 의사랜덤 필드 패턴들의 세트인, 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 실질적으로 직교하는 일루미네이션 필드 패턴들의 세트는 푸리에 필드 패턴들의 세트인, 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 실질적으로 직교하는 일루미네이션 필드 패턴들의 세트는 웨이블릿 필드 패턴들의 세트인, 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 장면을 관찰하는 단계는 플러드 측정 필드 패턴으로 상기 장면을 플러드 관찰하는 단계인, 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 플러드 측정하는 단계는 저-지향성 혼 안테나로 관찰하는 단계인, 방법.
  22. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 측정 필드 패턴들로 상기 장면을 관찰하는 단계는, 상기 장면을 집합적으로 채우는 실질적으로 직교하는 측정 필드 패턴들의 세트로 상기 장면을 관찰하는 단계인, 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 실질적으로 직교하는 측정 필드 패턴들의 세트는 랜덤 필드 패턴들의 세트인, 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 실질적으로 직교하는 측정 필드 패턴들의 세트는 의사 랜덤 필드 패턴들의 세트인, 방법.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 실질적으로 직교하는 측정 필드 패턴들의 세트는 푸리에 필드 패턴들의 세트인, 방법.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 실질적으로 직교하는 측정 필드 패턴들의 세트는 웨이블릿 필드 패턴들의 세트인, 방법.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 장면은 동적인 장면이고, 상기 장면의 상기 이미지를 재구성하는 단계는 상기 동적인 장면의 동적인 이미지를 재구성하는 단계인, 방법.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 일루미네이션 필드 패턴들 및 상기 측정 필드 패턴들은 측정치 행렬 H를 규정하고, 상기 관찰하는 단계는 측정치들 (g) 의 집합을 규정하고, 상기 압축 이미징 알고리즘은 재구성된 이미지 f에 대해 최소화 문제 arg min
    Figure pct00041
    를 풀고, 여기서 λ는 정규화 파라미터이고 R(f) 는 공지의 함수인, 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 압축 이미징 알고리즘은 TwIST (Two-step Iterated Soft Thresholding) 알고리즘인, 방법.
  30. 제 28 항에 있어서,
    Figure pct00042
    인, 방법.
  31. 웨이브-전파 구조체; 및
    상기 웨이브 전파 구조체를 따라 분포되고 상기 웨이브 전파 구조체의 도파된 웨이브 모드들에 대한 각각의 복수의 개별 전자기 응답들을 갖는 복수의 산란 엘리먼트들 (scattering elements) 을 포함하고,
    상기 복수의 개별 전자기 응답은 상기 도파된 웨이브 모드들의 주파수들의 세트에 대해, 상기 안테나의 시계 (field of view) 를 실질적으로 채우는, 실질적으로 직교하는 저-지향성 안테나 방사 필드들의 대응하는 세트를 제공하는, 안테나.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 주파수들의 세트는 RF 주파수들의 세트인, 안테나.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 RF 주파수들의 세트는 마이크로웨이브 주파수들의 세트인, 안테나.
  34. 제 31 항에 있어서,
    상기 주파수들의 세트는 ㎜W 주파수들의 세트인, 안테나.
  35. 제 31 항에 있어서,
    상기 실질적으로 직교하는 저-지향성 안테나 방사 필드들의 세트는 의사랜덤 방사 필드들의 세트인, 안테나.
  36. 제 31 항에 있어서,
    상기 실질적으로 직교하는 저-지향성 안테나 방사 필드들의 세트는 푸리에 방사 필드들의 세트인, 안테나.
  37. 제 31 항에 있어서,
    상기 실질적으로 직교하는 저-지향성 안테나 방사 필드들의 세트는 웨이블릿 방사 필드들의 세트인, 안테나.
  38. 제 31 항에 있어서,
    상기 웨이브-전파 구조체는 하나 이상의 도전 표면들을 포함하고, 상기 복수의 산란 엘리먼트들은 상기 하나 이상의 도전 표면들 내의 복수의 어퍼처들에 대응하는, 안테나.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 웨이브-전파 구조체는 2차원 웨이브-전파 구조체인, 안테나.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 2차원 웨이브-전파 구조체는 평행 평판 도파관이고, 상기 하나 이상의 도전 표면들은 상기 평행 평판 도파관의 상부 도전체인, 안테나.
  41. 제 38 항에 있어서,
    상기 웨이브-전파 구조체는 하나 이상의 1차원 웨이브-전파 구조체들을 포함하는, 안테나.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 1차원 웨이브-전파 구조체들은 2차원 안테나 영역을 구성하는 복수의 1차원 웨이브-전파 구조체들인, 안테나.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 1차원 웨이브-전파 구조체들은 하나 이상의 마이크로스트립들을 포함하고, 상기 하나 이상의 도전 표면들은 상기 하나 이상의 마이크로스트립들의 하나 이상의 각각의 상부 도전체들인, 안테나.
  44. 제 41 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 1차원 웨이브-전파 구조체들은 하나 이상의 폐쇄된 도파관들을 포함하고, 상기 하나 이상의 도전 표면들은 상기 하나 이상의 폐쇄된 도파관들의 하나 이상의 각각의 상부 표면들인, 안테나.
  45. 제 38 항에 있어서,
    상기 복수의 어퍼처들은 복수의 상보적인 메타물질 엘리먼트들을 규정하는, 안테나.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 복수의 상보적인 메타물질 엘리먼트들은 복수의 상보적인 전기적인 LC 메타물질 엘리먼트들인, 안테나.
  47. 제 38 항에 있어서,
    상기 복수의 산란 엘리먼트들은 상기 복수의 어퍼처들 위에 위치된 복수의 패치들 (patches) 을 더 포함하는, 안테나.
  48. 제 31 항에 있어서,
    상기 복수의 산란 엘리먼트들은 공진 주파수들의 세트에 대응하는 기하학적 구조들의 세트로부터 다양하게 선택된 기하학적 구조들을 갖는, 안테나.
  49. 웨이브-전파 구조체;
    상기 웨이브-전파 구조체를 따라 분포되고 상기 웨이브 전파 구조체의 하나 이상의 도파된 웨이브 모드들에 대한 각각의 복수의 조정가능한 개별 전자기 응답들을 갖는 복수의 산란 엘리먼트들로서, 상기 복수의 조정가능한 개별 전자기 응답들은 상기 조정가능한 개별 전자기 응답들의 조정치들의 세트에 대해, 상기 안테나의 시계를 실질적으로 채우는 실질적으로 직교하는 저-지향성 안테나 방사 필드들의 대응하는 세트를 제공하는, 상기 복수의 산란 엘리먼트들; 및
    상기 복수의 산란 엘리먼트들에 커플링되고 상기 조정가능한 개별 전자기 응답들의 조정치들의 세트를 제공하도록 구성된 제어 회로를 포함하는, 안테나.
  50. 제 49 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 도파된 웨이브 모드들은 선택된 주파수의 단일 도파된 웨이브 모드인, 안테나.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 선택된 주파수는 RF 주파수인, 안테나.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 RF 주파수는 마이크로웨이브 주파수인, 안테나.
  53. 제 50 항에 있어서,
    상기 선택된 주파수는 ㎜W 주파수인, 안테나.
  54. 제 49 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 도파된 웨이브 모드들은 선택된 주파수 대역을 갖는 도파된 웨이브 모드들의 세트인, 안테나.
  55. 제 54 항에 있어서,
    상기 선택된 주파수 대역은 RF 주파수 대역인, 안테나.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 RF 주파수 대역은 마이크로웨이브 주파수 대역인, 안테나.
  57. 제 54 항에 있어서,
    상기 선택된 주파수 대역은 ㎜W 주파수 대역인, 안테나.
  58. 제 49 항에 있어서,
    상기 실질적으로 직교하는 저-지향성 안테나 방사 필드들의 세트는 의사랜덤 방사 필드들의 세트인, 안테나.
  59. 제 49 항에 있어서,
    상기 실질적으로 직교하는 저-지향성 안테나 방사 필드들의 세트는 푸리에 방사 필드들의 세트인, 안테나.
  60. 제 49 항에 있어서,
    상기 실질적으로 직교하는 저-지향성 안테나 방사 필드들의 세트는 웨이블릿 방사 필드들의 세트인, 안테나.
  61. 제 49 항에 있어서,
    상기 웨이브-전파 구조체는 하나 이상의 도전 표면들을 포함하고, 상기 복수의 산란 엘리먼트들은 상기 하나 이상의 도전 표면들 내의 복수의 어퍼처들에 대응하는, 안테나.
  62. 제 61 항에 있어서,
    상기 웨이브-전파 구조체는 2차원 웨이브-전파 구조체인, 안테나.
  63. 제 62 항에 있어서,
    상기 2차원 웨이브-전파 구조체는 평행 평판 도파관이고, 상기 하나 이상의 도전 표면들은 상기 평행 평판 도파관의 상부 도전체인, 안테나.
  64. 제 61 항에 있어서,
    상기 웨이브-전파 구조체는 하나 이상의 1차원 웨이브-전파 구조체들을 포함하는, 안테나.
  65. 제 64 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 1차원 웨이브-전파 구조체들은 2차원 안테나 영역을 구성하는 복수의 1차원 웨이브-전파 구조체들인, 안테나.
  66. 제 64 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 1차원 웨이브-전파 구조체들은 하나 이상의 마이크로스트립들을 포함하고, 상기 하나 이상의 도전 표면들은 상기 하나 이상의 마이크로스트립들의 하나 이상의 각각의 상부 도전체들인, 안테나.
  67. 제 64 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 1차원 웨이브-전파 구조체들은 하나 이상의 폐쇄된 도파관들을 포함하고, 상기 하나 이상의 도전 표면들은 상기 하나 이상의 폐쇄된 도파관들의 하나 이상의 각각의 상부 표면들인, 안테나.
  68. 제 61 항에 있어서,
    상기 복수의 어퍼처들은 복수의 상보적인 메타물질 엘리먼트들을 규정하는, 안테나.
  69. 제 68 항에 있어서,
    상기 복수의 상보적인 메타물질 엘리먼트들은 복수의 상보적인 전기적인 LC 메타물질 엘리먼트들인, 안테나.
  70. 제 68 항에 있어서,
    상기 복수의 어퍼처들의 각각의 주변부들 내에 배치된 전기적으로 조정가능한 물질을 더 포함하는, 안테나.
  71. 제 70 항에 있어서,
    상기 전기적으로 조정가능한 물질은 액정 재료인, 안테나.
  72. 제 68 항에 있어서,
    상기 복수의 상보적인 메타물질 엘리먼트들은 상기 하나 이상의 도전 표면들로부터 분리된 (disconnected) 복수의 도전 섬들 (conducting islands) 을 각각 규정하고, 상기 안테나는,
    상기 하나 이상의 도전 표면들과 상기 복수의 도전 섬들 사이에 접속된 복수의 능동 엘리먼트들을 더 포함하는, 안테나.
  73. 제 72 항에 있어서,
    상기 복수의 능동 엘리먼트들은 트랜지스터들을 포함하는, 안테나.
  74. 제 72 항에 있어서,
    상기 복수의 능동 엘리먼트들은 p-n 접합부들을 포함하는, 안테나.
  75. 제 72 항에 있어서,
    상기 복수의 능동 엘리먼트들은 쇼트키 다이오드들을 포함하는, 안테나.
  76. 제 61 항에 있어서,
    상기 복수의 산란 엘리먼트들은 상기 복수의 어퍼처들 위에 위치된 복수의 도전 패치들을 더 포함하는, 안테나.
  77. 제 76 항에 있어서,
    상기 복수의 도전 패치들과 상기 복수의 어퍼처들 사이에 배치된 전기적으로 조정가능한 재료를 더 포함하는, 안테나.
  78. 제 77 항에 있어서,
    상기 전기적으로 조정가능한 재료는 액정 재료를 포함하는, 안테나.
  79. 제 77 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 도전 표면들과 상기 복수의 도전 패치들 사이에 접속된 복수의 능동 엘리먼트들을 더 포함하는, 안테나.
  80. 제 79 항에 있어서,
    상기 복수의 능동 엘리먼트들은 트랜지스터들을 포함하는, 안테나.
  81. 제 79 항에 있어서,
    상기 복수의 능동 엘리먼트들은 p-n 접합부들을 포함하는, 안테나.
  82. 제 79 항에 있어서,
    상기 복수의 능동 엘리먼트들은 쇼트키 다이오드들을 포함하는, 안테나.
  83. 시계 내에 하나 이상의 일루미네이션 필드 패턴들을 갖는 일루미네이션 안테나;
    상기 시계 내에 하나 이상의 측정 필드 패턴들을 갖는 메타물질 표면 안테나;
    상기 일루미네이션 안테나의 입력 포트에 커플링된 송신기;
    메타물질 표면 안테나의 출력 포트에 커플링된 수신기; 및
    상기 송신기 및 상기 수신기에 커플링되고 압축 이미징 알고리즘을 사용하여 상기 시계 내의 장면의 이미지를 재구성하도록 구성된 프로세싱 회로를 포함하는, 시스템.
  84. 제 83 항에 있어서,
    상기 일루미네이션 안테나는 저-지향성 혼 안테나인, 시스템.
  85. 제 83 항에 있어서,
    상기 일루미네이션 안테나는 또 다른 메타물질 표면 안테나인, 시스템.
  86. 제 83 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 측정 필드 패턴들은 주파수들의 세트에 대응하는 측정 필드 패턴들의 세트인, 시스템.
  87. 제 86 항에 있어서,
    상기 주파수들의 세트는 RF 주파수들의 세트인, 시스템.
  88. 제 87 항에 있어서,
    상기 RF 주파수들의 세트는 마이크로웨이브 주파수들의 세트인, 시스템.
  89. 제 86 항에 있어서,
    상기 주파수들의 세트는 ㎜W 주파수들의 세트인, 시스템.
  90. 제 83 항에 있어서,
    상기 메타물질 표면 안테나는 하나 이상의 제어 입력들에 응답하여 상기 메타물질 표면 안테나의 조정치들의 세트에 대응하는 측정 필드 패턴들의 세트를 갖는 조정가능한 메타물질 표면 안테나이고, 상기 시스템은,
    상기 하나 이상의 제어 입력들을 제공하도록 구성된 제어 회로를 더 포함하는, 시스템.
  91. 제 90 항에 있어서,
    상기 메타물질 표면 안테나는 상기 하나 이상의 제어 입력들의 함수들인 각각의 조정가능한 파라미터들을 갖는 복수의 산란 엘리먼트들을 갖는, 시스템.
  92. 제 91 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어 입력들은 상기 복수의 산란 엘리먼트들을 위한 각각의 복수의 바이어스 전압들을 포함하는, 시스템.
  93. 제 91 항에 있어서,
    상기 복수의 산란 엘리먼트들은 행 및 열로 어드레스가능하고, 상기 하나 이상의 제어 입력들은 행 입력들의 세트 및 열 입력들의 세트를 포함하는, 시스템.
  94. 시계 내에 하나 이상의 일루미네이션 필드 패턴들을 갖는 메타물질 표면 안테나;
    상기 시계 내에 하나 이상의 측정 필드 패턴들을 갖는 측정 안테나;
    상기 메타물질 표면 안테나의 입력 포트에 커플링된 송신기;
    상기 측정 안테나의 출력 포트에 커플링된 수신기; 및
    상기 송신기 및 상기 수신기에 커플링되고 압축 이미징 알고리즘을 사용하여 상기 시계 내의 장면의 이미지를 재구성하도록 구성된 프로세싱 회로를 포함하는, 시스템.
  95. 제 94 항에 있어서,
    상기 측정 안테나는 저-지향성 혼 안테나인, 시스템.
  96. 제 94 항에 있어서,
    상기 측정 안테나는 또 다른 메타물질 표면 안테나인, 시스템.
  97. 제 94 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 일루미네이션 필드 패턴들은 주파수들의 세트에 대응하는 일루미네이션 필드 패턴들의 세트인, 시스템.
  98. 제 97 항에 있어서,
    상기 주파수들의 세트는 RF 주파수들의 세트인, 시스템.
  99. 제 97 항에 있어서,
    상기 RF 주파수들의 세트는 마이크로웨이브 주파수들의 세트인, 시스템.
  100. 제 97 항에 있어서,
    상기 주파수들의 세트는 ㎜W 주파수들의 세트인, 시스템.
  101. 제 94 항에 있어서,
    상기 메타물질 표면 안테나는 하나 이상의 제어 입력들에 응답하여 상기 메타물질 표면 안테나의 조정치들의 세트에 대응하는 일루미네이션 필드 패턴들의 세트를 갖는 조정가능한 메타물질 표면 안테나이고, 상기 시스템은,
    상기 하나 이상의 제어 입력들을 제공하도록 구성된 제어 회로를 더 포함하는, 시스템.
  102. 제 101 항에 있어서,
    상기 메타물질 표면 안테나는 상기 하나 이상의 제어 입력들의 함수들인 각각의 조정가능한 물리적 파라미터들을 갖는 복수의 산란 엘리먼트들을 갖는, 시스템.
  103. 제 102 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어 입력들은 상기 복수의 산란 엘리먼트들을 위한 복수의 각각의 바이어스 전압들을 포함하는, 시스템.
  104. 제 102 항에 있어서,
    상기 복수의 산란 엘리먼트들은 행 및 열로 어드레스가능하고, 상기 하나 이상의 제어 입력들은 행 입력들의 세트 및 열 입력들의 세트를 포함하는, 시스템.
  105. 시계 내에 방사 패턴들의 세트를 갖는 메타물질 표면 안테나;
    상기 메타물질 표면 안테나의 입력 포트 및 출력 포트에 커플링된 트랜시버; 및
    상기 트랜시버에 커플링되고 압력 이미징 알고리즘을 사용하여 상기 시계 내의 장면의 이미지를 재구성하도록 구성된 프로세싱 회로를 포함하는, 시스템.
  106. 제 105 항에 있어서,
    상기 방사 패턴들의 세트는 주파수들의 세트에 대응하는, 시스템.
  107. 제 106 항에 있어서,
    상기 주파수들의 세트는 RF 주파수들의 세트인, 시스템.
  108. 제 107 항에 있어서,
    상기 RF 주파수들의 세트는 마이크로웨이브 주파수들의 세트인, 시스템.
  109. 제 106 항에 있어서,
    상기 주파수들의 세트는 ㎜W 주파수들의 세트인, 시스템.
  110. 제 105 항에 있어서,
    상기 메타물질 표면 안테나는 하나 이상의 제어 입력들에 응답하여 상기 메타물질 표면 안테나의 조정치들의 세트에 대응하는 방사 패턴들의 세트를 갖는 조정가능한 메타물질 표면 안테나이고, 상기 시스템은,
    상기 하나 이상의 제어 입력들을 제공하도록 구성된 제어 회로를 더 포함하는, 시스템.
  111. 제 110 항에 있어서,
    상기 메타물질 표면 안테나는 상기 하나 이상의 제어 입력들의 함수들인 각각의 조정가능한 물리적 파라미터들을 갖는 복수의 산란 엘리먼트들을 갖는, 시스템.
  112. 제 111 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어 입력들은 복수의 산란 엘리먼트들에 대한 복수의 각각의 바이어스 전압들을 갖는, 시스템.
  113. 제 111 항에 있어서,
    상기 복수의 산란 엘리먼트들은 행 및 열들에 의해 어드레스 가능하고, 상기 하나 이상의 제어 입력들은 행 입력들의 세트 및 열 입력들의 세트를 포함하는, 시스템.
  114. 전자기장 분포를 생성하기 위한 어퍼처로서,
    공간적 장 분포; 및
    표준 특징들, 캡처된 데이터, 시계, 캡처된 데이터의 신호 대 잡음비, 캡처된 데이터의 해상도, 캡처된 데이터의 콘트라스트, 데이터 캡처 레이트, 및 캡처된 데이터의 품질의 세트를 갖는 행렬을 포함하는, 어퍼처.
  115. 제 114 항에 있어서,
    상기 공간적 장 분포는 주파수로 임의로 코딩되는, 어퍼처.
  116. 제 115 항에 있어서,
    상기 공간적 장 분포는 랜덤 장들을 포함하는, 어퍼처.
  117. 제 115 항에 있어서,
    상기 공간적인 장 분포는 의사랜덤 장들을 포함하는, 어퍼처.
  118. 제 115 항에 있어서,
    상기 공간적인 장 분포는 웨이블릿 패턴들을 포함하는, 어퍼처.
  119. 제 118 항에 있어서,
    상기 공간적인 장 분포는 푸리에 패턴들을 포함하는, 어퍼처.
  120. 제 114 항에 있어서,
    패널을 더 포함하는, 어퍼처.
  121. 제 121 항에 있어서,
    상기 패널은 평면 구조를 포함하는, 어퍼처.
  122. 제 120 항에 있어서,
    상기 패널은 플렉서블 또는 컨포멀 구조를 포함하는, 어퍼처.
  123. 제 120 항에 있어서,
    상기 패널은 이의 표면 상의 트래픽을 지원하기에 충분한 기계적으로 견고한 (robust) 구조를 포함하는, 어퍼처.
  124. 제 120 항에 있어서,
    상기 패널은 건축적 엘리먼트 (architectural element) 상에 장착 또는 매달리도록 구성된 재료를 포함하는, 어퍼처.
  125. 제 114 항에 있어서,
    상기 전자기장 분포는 재구성가능한, 어퍼처.
  126. 제 125 항에 있어서,
    상기 전자기장은 상기 시계를 조정하도록 재구성가능한, 어퍼처.
  127. 제 125 항에 있어서,
    상기 전자기장은 상기 해상도를 조정하도록 재구성가능한, 어퍼처.
  128. 제 125 항에 있어서,
    상기 전자기장은 상기 캡처된 데이터의 품질을 동시에 감소시키거나 증가시키는 동안 상기 데이터 캡처 레이트를 증가시키거나 감소시키는 특성을 조정하도록 재구성가능한, 어퍼처.
  129. 제 128 항에 있어서,
    상기 특성은 상기 신호 대 잡음비를 포함하는, 어퍼처.
  130. 제 128 항에 있어서,
    상기 특성은 상기 캡처된 데이터의 임의의 베이스들의 상기 해상도를 포함하는, 어퍼처.
  131. 제 128 항에 있어서,
    상기 특성은 상기 캡처된 데이터의 상기 콘트라스트를 포함하는, 어퍼처.
  132. 제 128 항에 있어서,
    상기 특성은 상기 캡처된 데이터의 진정한 물리적 모델에 대한 분석적인 모델의 매칭을 포함하는, 어퍼처.
  133. 제 128 항에 있어서,
    상기 특성은 상기 어퍼처의 상기 행렬 특징들을 포함하는, 어퍼처.
  134. 제 133 항에 있어서,
    상기 행렬 특징들은 단수 값 스펙트럼 아래의 상기 영역을 포함하는, 어퍼처.
  135. 제 133 항에 있어서,
    상기 행렬 특징들은 기저 일관성 (basis coherence) 을 포함하는, 어퍼처.
  136. 제 133 항에 있어서,
    상기 행렬 특징들은 서브공간 매칭 (subspace matching) 을 포함하는, 어퍼처.
  137. 제 114 항에 있어서,
    설계된 수학적 어레이 팩터 (factor) 를 더 포함하는, 어퍼처.
  138. 제 137 항에 있어서,
    상기 어레이 팩터는 주파수 다양성 (diversity) 에 대한 함수를 포함하는, 어퍼처.
  139. 제 138 항에 있어서,
    상기 주파수 다양성 함수는 상기 어레이 요소들의 분산을 포함하는, 어퍼처.
  140. 제 138 항에 있어서,
    상기 주파수 다양성 함수는 상기 메타물질 트랜시버의 상기 신호 소스 내에서의 분산을 포함하는, 어퍼처.
  141. 제 138 항에 있어서,
    상기 어레이 팩터는 튜닝 파라미터들에 대한 비-콘볼루션 기반 포워드 모델들 (non-convolution based forward models) 에 대한 함수를 포함하는, 어퍼처.
  142. 제 141 항에 있어서,
    상기 비-콘볼루션 기반 포워드 모델들은 상기 캡처된 데이터의 모드들의 과대-결정 세트 (over-determined set) 를 포함하는 빔 패턴 다양성을 포함하는, 어퍼처.
  143. 제 142 항에 있어서,
    상기 비-콘볼루션 기반 포워드 모델들은 사이드-로브들 (side-lobes) 을 최대화하는 것을 포함하는 빔 패턴 다양성들을 포함하는, 어퍼처.
  144. 제 137 항에 있어서,
    상기 어레이 팩터는 어퍼처 모드들에 걸친 에너지 분포 함수를 포함하는, 어퍼처.
  145. 제 144 항에 있어서,
    상기 에너지 분포 함수는 상기 시계에 걸쳐 균일한 분포를 포함하는, 어퍼처.
  146. 제 144 항에 있어서,
    상기 에너지 분포 함수는 임의의 코딩 스킴 (scheme) 을 포함하는, 어퍼처.
  147. 제 146 항에 있어서,
    상기 임의의 코딩 스킴은 랜덤하게 분포된 장들을 포함하는, 어퍼처.
  148. 제 146 항에 있어서,
    상기 임의의 코딩 스킴은 의사랜덤하게 분포된 장들을 포함하는, 어퍼처.
  149. 제 146 항에 있어서,
    상기 임의의 코딩 스킴은 웨이블릿 패턴들을 포함하는, 어퍼처.
  150. 제 146 항에 있어서,
    상기 임의의 코딩 스킴은 푸리에 패턴들을 포함하는, 어퍼처.
  151. 제 146 항에 있어서,
    상기 임의의 코딩 스킴은 사인 함수들의 합을 포함하는, 어퍼처.
  152. 제 143 항에 있어서,
    상기 에너지 분포 함수는 상기 시계 내에서 관심 있는 영역들에 집중하는 함수를 포함하는, 어퍼처.
  153. 제 143 항에 있어서,
    상기 에너지 분포 함수는 상기 시계 내에서의 적응성을 포함하는, 어퍼처.
  154. 제 153 항에 있어서,
    상기 적응성은 선택 빈도 서브세트를 포함하는, 어퍼처.
  155. 제 153 항에 있어서,
    상기 적응성은 외부 튜닝 자극을 포함하는, 어퍼처.
  156. 제 153 항에 있어서,
    상기 적응성은 과완성 신호 세트 (overcomplete signal set) 를 포함하는, 어퍼처.
  157. 제 143 항에 있어서,
    상기 에너지 분포 함수들은 선형 주파수 변조 (LFM: linear frequency modulated) 범위를 갖는, 어퍼처.
  158. 신호들을 내보내고 (emit) 수신할 수 있는 메타물질 엘리먼트들의 어레이를 포함하는 안테나로서, 상기 메타물질 엘리먼트는 전자기장을 생성하기 위한 어퍼처를 포함하고, 상기 어퍼처는,
    공간적인 장 분포; 및
    표준 특징들, 캡처된 데이터, 시계, 캡처된 데이터의 신호 대 잡음비, 캡처된 데이터의 해상도, 캡처된 데이터의 콘트라스트, 데이터 캡처 레이트, 및 캡처된 데이터의 품질의 세트를 갖는 행렬을 포함하는, 안테나.
  159. 제 158 항에 있어서,
    상기 전자기장 분포는 상기 메타물질 엘리먼트들의 어레이에 의해 생성되는, 안테나.
  160. 제 158 항에 있어서,
    상기 메타물질 엘리먼트들의 어레이는 상기 수학적 어레이 팩터를 표현하도록 설계되는, 안테나.
  161. 제 158 항에 있어서,
    상기 메타물질 엘리먼트들은 전기적으로 재구성가능한, 안테나.
  162. 제 161 항에 있어서,
    상기 전기적 재구성은 블록들 또는 섹션들 내 또는 이의 확장에 걸친 연속하는 분포 내의 단위-셀 레벨 상에서 발생하는, 안테나.
  163. 제 158 항에 있어서,
    상기 메타물질 엘리먼트들의 어레이는 주파수 인코딩을 위한 함수를 포함하는, 안테나.
  164. 제 163 항에 있어서,
    상기 주파수 인코딩 함수는 주파수 분산 모드들을 포함하는, 안테나.
  165. 제 164 항에 있어서,
    상기 주파수 인코딩 함수는 단일 주파수 다양성을 포함하는, 안테나.
  166. 제 164 항에 있어서,
    상기 주파수 인코딩 함수는 백색화될 때 (whitened) 양호한 특성들을 갖는 행렬을 포함하는, 안테나.
  167. 제 162 항에 있어서,
    상기 메타물질 엘리먼트들은 실리콘 튜닝 쇼트키 다이오드들을 통해 튜닝가능한 엘리먼트들을 포함하여, 상기 전기적 재구성이 인에이블되는, 안테나.
  168. 제 163 항에 있어서,
    상기 메타물질 엘리먼트들 각각은 상기 전기적 재구성이 인에이블되도록 실리콘 튜닝 PN 접합부들을 포함하는 튜닝가능한 엘리먼트들을 포함하는, 안테나.
  169. 제 160 항에 있어서,
    상기 메타물질 어레이 엘리먼트들은 편광 선택을 위해 구성되는, 안테나.
  170. 제 160 항에 있어서,
    상기 메타물질 어레이 엘리먼트들은 단위-셀 지향성을 위해 구성되는, 안테나.
  171. 제 160 항에 있어서,
    상기 메타물질 엘리먼트들은 상보적인 메타물질 엘리먼트들인, 안테나.
  172. 메타물질 트랜시버로서,
    신호 소스;
    신호들을 내보내고 수신할 수 있는 메타물질 엘리먼트들의 어레이를 포함하는 안테나로서, 상기 메타물질 엘리먼트는 전자기장을 생성하기 위한 어퍼처를 포함하고, 상기 어퍼처는,
    공간적인 장 분포; 및
    표준 특징들, 캡처된 데이터, 시계, 캡처된 데이터의 신호 대 잡음비, 캡처된 데이터의 해상도, 캡처된 데이터의 콘트라스트, 데이터 캡처 레이트, 및 캡처된 데이터의 품질의 세트의 행렬을 포함하는,
    상기 안테나; 및
    신호 검출기를 포함하고,
    상기 신호 소스 및 상기 신호 검출기는 상기 안테나에 동작가능하게 연결되는, 메타물질 트랜시버.
  173. 제 172 항에 기재된 상기 메타물질 트랜시버를 사용하여 이미징하는 방법에 있어서,
    메타물질 트랜시버를 제공하는 단계;
    안테나로부터 멀티모드 신호를 내보내는 단계;
    상기 멀티모드 신호가 장면과 인카운터 (encounter) 함으로써 변환된 후에 변환된 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 장면의 이미지를 생성하기 위해 상기 변환된 신호를 해석하는 단계를 포함하고,
    상기 메타물질 트랜시버는,
    신호 소스;
    신호들을 내보내고 수신할 수 있는 메타물질 엘리먼트들의 어레이를 포함하는 안테나로서, 상기 메타물질 엘리먼트는 전자기장을 생성하기 위한 어퍼처를 포함하고, 상기 어퍼처는,
    공간적인 장 분포; 및
    표준 특징들, 캡처된 데이터, 시계, 캡처된 데이터의 신호 대 잡음비, 캡처된 데이터의 해상도, 캡처된 데이터의 콘트라스트, 데이터 캡처 레이트, 및 캡처된 데이터의 품질의 세트의 행렬을 포함하는,
    상기 안테나; 및
    신호 검출기를 포함하고,
    상기 신호 소스 및 상기 신호 검출기는 상기 안테나에 동작가능하게 연결되는, 이미징 방법.
  174. 제 173 항에 있어서,
    객체들의 이미지들을 생성하기 위해 건축적 엘리먼트 상 또는 내에 상기 메타물질 트랜시버를 위치시키는 단계를 더 포함하는, 이미징 방법.
  175. 제 174 항에 있어서,
    상기 객체들은 이동가능한, 이미징 방법.
  176. 제 175 항에 있어서,
    상기 장면은 이동 중인 하나 이상의 객체들을 포함하는, 이미징 방법.
  177. 제 175 항에 있어서,
    상기 트랜시버에 이미지 생성 레이트를 할당하는 단계를 더 포함하는, 이미징 방법.
  178. 제 177 항에 있어서,
    하나 이상의 이동하는 객체들을 이미징하는 단계를 더 포함하는, 이미징 방법.
  179. 제 178 항에 있어서,
    이동하는 객체들을 추적하는 단계를 더 포함하는, 이미징 방법.
  180. 제 179 항에 있어서,
    추적된 이동하는 객체 정보를 사용하여 이미지 생성 레이트를 동적으로 할당하는 단계를 더 포함하는, 이미징 방법.
  181. 제 175 항에 있어서,
    상기 메타물질 엘리먼트들의 어레이는 2차원 어레이인, 이미징 방법.
  182. 제 175 항에 있어서,
    상기 안테나는 압축 이미징을 위해 구성된, 이미징 방법.
  183. 제 175 항에 있어서,
    상기 안테나는 다수의 멀티모드 이미징 기법들의 조합을 위해 구성된, 이미징 방법.
  184. 제 175 항에 있어서,
    상기 안테나는 다대역 센싱을 위해 구성된, 이미징 방법.
  185. 상보적인 메타물질 엘리먼트들의 2차원 어레이를 포함하는 메타물질 트랜시버로부터 멀티모드 신호를 내보내는 단계;
    이미징될 장면과 인카운터함으로써 상기 내보내진 멀티모드 신호를 변환하는 단계;
    상기 메타물질 트랜시버에 의해 상기 변환된 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 변환된 신호로부터 상기 장면의 이미지를 생성하는 단계를 포함하는, 이미징 방법.
  186. 제 185 항에 있어서,
    상기 모드들은 상기 어퍼처의 표준 기저 이외의 기저로 표현되는, 이미징 방법.
  187. 제 186 항에 있어서,
    상기 기저 표현은 주파수인, 이미징 방법.
  188. 제 186 항에 있어서,
    상기 기저 표현은 푸리에 모드인, 이미징 방법.
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