TW201830893A - 方向回溯性準光學系統 - Google Patents

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Abstract

提出的方向回溯性準光學系統至少包括一透鏡組合與一像素陣列。透鏡組合位於像素陣列的一側而且即時地在像素陣列的多數像素以及位於由透鏡組合透過無限共軛或有限共軛所定義的可對應空間的一或多物件之間建立一或多方向回溯性空間通道。在像素陣列，多數個像素排列成為陣列並且任一個像素是由至少一對的發射器天線與接收器天線所組成。為了保證任一個像素發射到可對應空間的電磁波可以被反射回到同一個像素的接收器，每一個像素的尺寸皆不大於由透鏡組合所定義的點擴散斑點的尺寸，在此點擴散斑點的尺寸可以是源自於透鏡的繞射或是像差。

Description

方向回溯性準光學系統
本發明係有關於可以同時性地與分佈在空間中多個物件(spatially distributed objects)互動的方向回溯性準光學系統(retro-directive quasi-optical system)，特別地，提出的系統使用具有一或多個透鏡的透鏡組合建立空間通道(space channel)藉以連結分佈於空間中這些物件的每一個或部分的以及位於一像素陣列的一或多像素，在此像素陣列的每一個像素都是由一或多個發射器(transmitter，Tx)天線與一或多個接收器(receiver，Rx)天線所組成。
在現代，許多設備需要與分布於空間中多數物件的遠程相互作用(remote interaction)藉以實現一些應用。舉例來說，藉由使用相機，高解析度影像(high-resolution)的遠距偵測(remote detection)是社交媒體(social media)、人工智慧系統(artificial-intelligence systems)、自駕車(self-driving cars)與安全工具(security tools)等等所必要的。無論如何，光不能穿透不透明障礙物(opaque obstacles)也容易被霧和雨所散射，光 也會被有紋理表面(textured surface)所散射或是被黑色物質所吸收，因此可能會引發非預期事件或甚至致命的意外。另一方面，傳統的射頻(radio-frequency，RF)技術可以解決上述的問題，但其典型的元件尺寸較大進而阻礙了射頻技術在影像(imaging)、偵測(detection)與密集無線通訊網路(dense wireless communication networks)等等的廣泛應用。近來，高頻率毫米波(high-frequency mm-wave)技術與太赫茲(Tera-Hertz，THz)技術的快速進步使得體積(form factor)小的射頻裝置對分布於大空間中多數物件的同時性影像、偵測與通訊變成實際可行的，進而低成本地解決了大多數與光波裝置(light-wave apparatus)的相關問題。另一個例子，未來的無線基地台需要複雜的、密集的、與可接受使用者數量大幅增加的射頻通訊技術來追蹤大量的可移動裝置藉以使得可移動裝置與基地台間可以穩定地通訊。無論如何，如此的複雜性不可避免地導致高功率耗損與高成本，進而給予射頻通訊裝置提供者相當的壓力。
到目前為止，對於一個本地裝置(local device)與多數遠距物件(remote objects)間電子式地(electronically)藉由電磁波(electromagnetic，EM)相互作用有兩種主要的候選解決方案：第一種是相位陣列系統(phased array system)而第二種是透鏡影像陣列系統(lens-based image array system)。在此摘要地陳述相位陣列系統的運作原理如下：多數相位調整元件(phase-shifting elements)被安置成為一個陣列，並且每個元件 的相位都被調整到使得由所有元件所發射的或所接收的所有電磁波(electromagnetic waves，EM waves)的相位被合成(synthesize)為一個聚焦的電磁波指向到(或接收自)一個特殊的方向。如此可以透過不同的空間通道(space channel)搜索(search)或傳送(delivery)電磁波訊號到有興趣的遠端物件(remote object)。接下來摘要地陳述透鏡影像陣列系統的運作原理如下：一個透鏡組合被放置在一個像素陣列的前面而且每一個像素包含一個電磁波接收器，使得任何來自某物件的電磁波可以被透鏡組合所收集並且可以被位於透鏡組合焦點平面(focal plane)上某特殊位置上的偵測器所處理。此外，透鏡影像陣列系統的光學性質可以透過更換透鏡組合的透鏡來達成，亦即，具有不同視野角(field of views，FOV)及/或其它光學性質的不同透鏡可以被獨立地使用。
無論如何，所有目前可以使用的技術仍然都有明顯的缺點。舉例來說，相位陣列系統需要大量的能量持續地計算藉以合成電磁波來進行波束引導(steering)與搜索(searching)，但這會導致計算時間與能量的浪費。附帶地，當更改到需要較高載體頻率(carrier frequency)的較高頻寬(bandwidth)系統時，相位陣列技術的複雜度會隨之增加，這是因為大量的高頻元件(high-frequency components)，像是天線與相位調整器(phase shifter)，需要高度複雜的(sophisticated)控制方案(control scheme)和校正(calibration)，使得相位陣列技術的困難度隨著頻 率增加而增加。更糟糕地，一般來說相位調整器不只增加控制用能量的消耗，也會引發額外的電磁波損失、非線性特性(包括能量與頻率)以及雜訊。另一方面，目前技術的透鏡影像陣列系統只有聚焦反射自空間分佈物件的電磁波並透過被動的透鏡組合傳達至焦點平面上不同位置，如同不需要任何主動元件與任何演算法來進行波束引導的傳統光波相機。請參考下列文獻：P.F.Goldsmith,C.T.Hsieh，G.R.Huguenin,J.Kapitzky and E.L.Moore,“Focal Plane Imaging Systems for Millimeter Wavelengths”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,Vol.41,No.10,p.1664-1675(1993)。透鏡聚焦性質也已經被應用在自駕車雷達的影像天線，其使用半球形透鏡以及靠近其焦點平面的後端反射器來產生一個掃描式多波束輻射圖案(scanning multibeam radiation pattern)，在此一個端射錐形槽天線陣列(endfire tapered slot antenna array)被放置在圍繞此半球形透鏡的一個圓弧(circular arc)內。請參考下列文獻：B.Schoenlinner,and G.M.Rebeiz,“Compact Multibeam Imaging Antenna for Automotive Radars,”IEEE MTT-s Digest,p.1373-1376(2002)，以及US 7,994,996 B2：“MULTIBEAM AMTENNA,”Inventors：Gabriel Rebeiz,James P.Ebling,and Bemhard Schoenlineer。雖然所有的光波相機都並不需要任何的主動元件與演算法則來引導波束，微波、毫米波與太赫茲的影像陣列系統一般都需要高功率能量來源 (high-power source)以獲得足夠的訊噪比(signal to noise ratio)來獲得接近光波相機等級的影像品質。近來，透鏡聚焦性質也已經適用於波束空間(beam space)多重輸入多重輸出(multiple input multiple output，MIMO)通訊，其包括由數個具有次波長圖案、帶通(bandpass)與頻率選擇的層狀(laminated)且平坦表面以及位於這些表面上的數個相位調整器所形成的離散透鏡陣列(discrete lens array，DLA)，藉以構成一個在空間的訊號空間維度(spatial signal space dimension)中具有天線(光圈)尺寸A的連續光圈相位(continuous-aperture-phased)人造(artificial)透鏡系統。當p個天線係安裝在焦點平面時天線(光圈)係耦合到p個收發器(transceiver)並且p遠小於n，在此n=4A/lambda2而lambda是運作頻率的自由空間波長。藉此多重輸入多重輸出演算法可以控制與引導其所發射或接收的波束。但是透鏡波束空間多重輸入多重輸出仍然需要大量的訊號處理功率藉以應付實際的點對點狀況以及實際的單點對多點狀況。請參考下列文獻：US 8,811,511 B2：“HYBRID ANALOG-DIGITAL PHASED MIMO TRANSCEIVER SYSTEM,”Inventors：Akbar M.Sayeed,Madision,WI(US)；Nader Behdad,Madison,WI(US)以及J.Brady,N.Behdad,and A.M.Sayeed,“Beamspace MIMO for Millmeter-wave Communications：System Architecture,Modeling,Analysis,and Measurements”,IEEE Transactions of Antennas and Propagation,Vol.61,No.7,p.3814-3827(2013)。
綜上所述，有需要發展新的技術以提供有效的遠端物件相互作用，像是影像、偵測、通訊或其它的應用。
本發明提出配置來與遠端分佈物件們相互作用的方向回溯性準光學系統。這個提出的系統具有快速切換、低成本、省電、彈性、高解析度與更適用於在毫米波與太赫茲範圍的高頻率電磁波等等特徵。
提出的方向回溯性準光學系統包含了至少一透鏡組合與一像素陣列，在此透鏡組合具有至少一或多個透鏡而像素陣列具有一些像素，在此每一個像素是由至少二個天線所組成，其中一或多個天線係連接到一或多個發射器(Tx)而其它的天線係連接到一或多個接收器(Rx)，使得這二部分天線分別定義了電磁波被發射與被接收的位置。發射器包括了用以將電訊號轉變為輸出電磁波的電路元件，而接收器包括了用以將輸入電磁波轉變為電訊號的電路元件。發射器與接收器也可以包含其它的電路元件，像是發送器(emitter)、震盪器(oscillator)、偵測器(detector)、放大器(amplifier)、切換器(switcher)、過濾器(filter)、電磁波分離器(EM splitter)與電磁波結合器(EM combiner)等等，藉以更有效率地產生或偵測電磁波。需要注意的是每一個像素的物理邊界僅僅由其天線們的總尺寸所決定而與發射器和接受器無關，並 且發射器與接收器都可以完全地或部分地位於像素的物理邊界之內。透鏡組合即時地創造出獨特的共軛點，其係位於像素陣列中某特定像素以及位於由透鏡組合所定義的可對應空間中遠端分布物件相對應位置之間。請參考下列文獻：W.Wetherell,“A focal systems,”Handbook of Optics,vol.2,p.2.2,2004。附帶地，依照羅倫斯互易定理(Lorentz reciprocity theorem)，請參考下列文獻：L.D.Landau and E.M.Lifshitz,“Electrodynamics of Continuous Media”,(Addisp-Wesley：Reading,MA,1960),p.288，激發電磁波的某特定像素與聚焦電磁波所在的遠端物件二者間的關係，並不會因為交換了電磁波激發所在位置以及電磁波聚焦所在位置而發生改變的。也就是說，在所有成對的物件與像素之間一個唯一的並且方向可回溯的空間通道可以同時地被創造而不需要任何附加的計算或波合成技術。因此，與相位陣列或多重輸入多重輸出相比較，其移除了用以引導波束的主動控制與計算以及相對應的硬體與裝置。藉此，對於這些像素中的每一個，其所發出的電磁波可以被傳輸到位於由透鏡組合所定義的可對應空間中的一個相對應位置，而且從物件位置所反射或所散射而來的電磁波抵達這個準光學透鏡系統中發射此電磁波的相同像素，進而實現了所提出準光學透鏡系統的方向回溯性的性質。附帶地，可對應空間是由透鏡組合的光學性質所定義的，像是視野角(Field-of-view)，甚至像是等效焦距(effective local length)及/或光圈值(f-number)。無論如何，這些透鏡的尺寸是 在幾個波長到幾百個波長的範圍，從而提供一個準光學透鏡系統。進一步地，其需要每一個像素的尺寸並不大於透鏡組合的點擴散斑點尺寸，藉以保證從每一個特定像素所發射的電磁波在被有興趣的遠端物件所散射或反射後可以再經過透鏡組合並抵達位於焦點平面上位於有限的散開斑點尺寸內相同像素的接收器。點擴散斑點的尺寸可以源自於準光學透鏡組合的繞射以及像差。
一般來說，透鏡組合和像素陣列的設計與不同的應用有關。近距離時聚焦是重要的，如同典型的相機，像素陣列和透鏡組合間的距離應該被最佳化。附帶地，透鏡組合可以變更替換以實現特殊的準光學性質像是視野角。此外，透鏡組合尺寸、像素數量以及像素分布的考量都與應用有關，但是典型的考量是解析度與成本間的取捨。更多地，每一個像素中的發射器與接收器都是可以在運作過程中的任何時間被開啟或被關閉，而且發射器可以根據不同的可能狀況或是僅為了節省能源而調整所產生電磁波的頻率、偏振、相位及/或振幅。附帶地，提出的準光學系統更適用於高頻率電磁波，像是微波或是頻率範圍自10吉赫茲(GHz)到1太赫茲(THz)的太赫茲波。太赫茲波的波長小於毫米波波長。若一個透鏡系統的聚焦平面的直徑為10公分而且若其像素尺寸約當於其運作頻率在自由空間的波長，這個透鏡系統可以在這個直徑平面上有對應到30吉赫茲的10個像素，對應到100吉赫茲的33個像素，對應到1太赫茲(1000吉赫茲)的333個像素，依此類推。當維持透鏡系統的尺寸不變時，運作頻率的增加將會增加物 件影像的解析度。相反地，當維持解析度不變時(亦即相同像素數目)，透鏡系統的尺寸係成比例於波長(或是反比例於頻率)。特別地，隨著近來穩定快速改善的製造能力以及超過太赫茲的最大電晶體單位增益頻率是可以實現的，當像素尺寸小於點擴散尺寸時所提出的準光學系統可以運作在更高的電磁波頻率。
100‧‧‧非太赫茲-吉赫茲影像總成
110‧‧‧太赫茲-吉赫茲影像總成
115‧‧‧配置總成
120‧‧‧有興趣區域
125‧‧‧有興趣物件
180‧‧‧透鏡驅動機構
190‧‧‧像素驅動機構
200‧‧‧像素陣列
202‧‧‧發射器天線
203‧‧‧接收器天線
210‧‧‧物件
220‧‧‧透鏡組合
250‧‧‧物件
260‧‧‧物件
270‧‧‧像素
280‧‧‧像素
300‧‧‧像素陣列
310‧‧‧像素
320‧‧‧像素
350‧‧‧透鏡組合
360‧‧‧物件
370‧‧‧物件
391‧‧‧像素
392‧‧‧發射器天線
393‧‧‧接收器天線
394‧‧‧隔離屏障
410‧‧‧物件
420‧‧‧雙向波束
430‧‧‧透鏡組合
441‧‧‧陣列
442‧‧‧陣列
443‧‧‧陣列
444‧‧‧單元
445‧‧‧像素
446‧‧‧像素
449‧‧‧像素移動元件
501‧‧‧步驟方塊
502‧‧‧步驟方塊
503‧‧‧步驟方塊
511‧‧‧步驟方塊
512‧‧‧步驟方塊
513‧‧‧步驟方塊
514‧‧‧步驟方塊
601‧‧‧手機
602‧‧‧基地台
603‧‧‧物件
691‧‧‧透鏡組合
692‧‧‧像素陣列
第一A圖摘要地描繪所提出的方向回溯性準光學系統，第一B圖與第一C圖摘要地描繪所提出的方向回溯性準光學系統的兩種變化。
第二A圖與第二B圖是顯示所提出的方向回溯性準光學系統的工作機制的兩個圖示。
第三A圖摘要地描繪所提出的方向回溯性準光學系統的一種特殊狀況，而第三B圖摘要地描繪所提出的方向回溯性準光學系統中像素陣列的像素的某些特殊設計。
第四A圖、第四B圖與第四C圖分別摘要地描述習知的相位陣列系統、習知的透鏡影像陣列系統與提出的方向回溯性準光學系統的基礎架構。
第五A圖和第五B圖是闡述所提出方向回溯性準光學系統的運作方法的兩個流程圖。
第六圖摘要地描述所提出系統的一個商業化應用的樣例。
本發明，如第一A圖所示，係有關於一個方向回溯性準光學系統100，其包括了至少一個透鏡組合110與一個像素陣列120，在此以位於一個二維表面的一個二維陣列作為範例。像素陣列120決定了這個方向回溯性準光學系統的解析度。透鏡系統110具有一或多個透鏡115而像素陣列120具有一些像素125，在此每個像素係由一或多個發射器(Tx)天線與一或多個接受器(Rx)天線所組成，這些天線定義了電磁波被發射與被接收的位置，而且每一個像素的物理尺寸是由發射器天線與接受器天線所圍繞區域來定義的。一或多個發射器係連接到(這些)發射器天線並且將電訊號轉換為發射的電磁波，而且一或多個接受器係連接到(這些)接收器天線並且將入射的電磁波轉換為電訊號。另外，發射器與接收器可以包含其它的電路元件，像是發送器、震盪器、偵測器、放大器、切換器、過濾器、電磁分離器與電磁結合器等等，藉以更有效率地產生或偵測電磁波或是藉以滿足其它目的像是系統層級控制(system-level controls)與訊號處理(signal processing)。舉例來說，這些電路元件可以有下列的基本形式：構成發射器的發送器及/或震盪器，以及構成接收器的切換器、放大器與偵測器。舉例來說，這些電路元件可以包含一或多個電磁分離器及/或一或多個電磁結合器藉以進一步調整發射的及/或接收的電磁波。需要注意的是發射器與接收器也可以是部分地或完全地位於由發射器天 線與接收器天線所定義的像素邊界的內部，甚至發射器與接收器二者可以完全地位於由發射器天線與接收器天線所定義的像素邊界的外部。有兩種範例的狀況下像素僅僅包含發射器天線與接收器天線的像素是有利的：1)從像素移除本地的熱是重要的以及2)這些電路元件組合起來的尺寸大於需要的像素尺寸。此外，並不需要限制發射器(接收器)與發射器天線(接收器天線)間的連接。舉例來說，每一個發射器與每一個接收器都可以連接到位於一個像素內的一或多個天線。附帶地，每一個發射器天線與每一個接收器天線也都可以連接到一個像素的一或多發射器與一或多接收器。無論如何，第一A圖只顯示一個樣例，其中每一個像素有一個由發射器天線與發射器構成的組合與一個由接收器天線與接收器構成的組合。透鏡組合110的光學性質，特別是視野角、等效焦距與光圈值，特徵化了介於像素陣列120與由透鏡組合110所定義的可對應空間之間多數個方向回溯性空間通道。可對應空間係與像素陣列120位於透鏡組合110相對的兩側。通過這種方式，可對應空間的每一部分皆一對一地通過無限共軛和有限共軛(聚焦在無限的和有限的距離)而對應到像素陣列120的某一像素。舉例來說，被發送自第一特殊像素的電磁波可以經由透鏡組合110被發射到(或視為被對應到)可對應空間(未顯示在第一A圖)的第一特殊部分。相同地，任何電磁波被發射自、被反射自或被散射自可對應空間的第二特殊部分的可以經由透鏡組合110被接受到(或視為被對應到)第二特殊像素。因為這個對應是唯一的且雙向的 (bi-directional)，透鏡組合110即時的(instantly)且同時地(simultaneously)在本地的(local)像素陣列與遠端的可對應空間之間創造大量的方向回溯性空間通道。空間通道的數量等於像素的總數量。
透鏡組合與像素陣列的幾何關係是可以最佳化的，亦即提出的系統可以根據需要的規格(像是解析度與波束寬度)來配置。如第一B圖與第一C圖所示，一些實施例可以有透鏡驅動機構180藉以移動及/或傾斜透鏡組合110中至少一個透鏡115，另一些實施例可以有像素驅動機構190藉以移動及/或傾斜像陣列120中至少一個像素125。透鏡驅動機構180與像素驅動機構190二者的細節並不需要限定。舉例來說，馬達(motors)、變速器(gearboxes)、滑動器(sliders)、致動器(actuators)、任何等效功能的機械元件或是這些機械元件的任何組合都可以使用。除此之外，透鏡組合110的任一個透鏡115與像素陣列120的任一個像素125皆可以被其它的透鏡或其它的像素所取代、亦即像素陣列的空間定位(spatial orientation)(包括像素間距與它們的排列)以及透鏡組合10的尺寸和形狀可以被設計來符合特定應用所需要的解析度與訊噪比(signal-to-noise ratio)。
第二A圖是顯示所提出方向回溯性準光學系統的工作機制的一個摘要圖示。為了簡化圖示，只有一個一維線性像素陣列被顯示。對於像素陣列200的每一個像素，由發射器天線202所發送的電磁波沿著一些用實線顯示的途徑被傳輸至物件210，而 且自物件210被後向散射(back-scattered)或反射的電磁波沿著一些用虛線顯示的途徑被傳輸並抵達接收器天線203。也就是說，某個像素透過透鏡定義的空間通道將電磁波送到物件210，而且同一個像素透過相同的空間通道接收後向散射的或反射的電磁波。所有不同的波傳導途徑會聚合(converge)在位於透鏡組合220相對兩端的兩個共軛位置：物件210以及發射/接收電磁波的像素。第二B圖是顯示所提出方向回溯性準光學系統的工作機制的另一個摘要圖示。再一次地，為了簡化圖示只有一個一維線性像素陣列被顯示。被放置在透鏡組合220所定義的可對應空間中不同位置的兩個物件250/260被同時地分別地沿著用實線與虛線表示的不同途徑被對應到像素陣列200的不同像素280/270。通過這種方式，如果一個物件移動通過透鏡組合220所定義的可對應空間的不同位置，藉由使用像素陣列210的不同像素來在一個時間週期內連續地偵測這個移動的物件，這個移動物件的運動可以被有效率地監測。此外，如果只有部分的可對應空間必須要被偵測，只有相對應的像素必須啟動藉以節省電力
提出的方向回溯性準光學系統的材料與設計都是重要的。舉例來說，透鏡組合的每一個透鏡可以是由玻璃、石英、塑膠或是其它對於像素陣列所運作的電磁波波長是透明的其它材料所製成。附帶地，在透鏡組合是由一或多個透鏡所組成時，每一個透鏡可以是凸凸透鏡、凸凹透鏡、凹凹透鏡、凹凸透鏡、凸平透鏡、凹平透鏡、平凸透鏡或平凹透鏡。此外，每一個透鏡也 可以是一個平面式透鏡藉以減少厚度與重量，像是菲涅耳透鏡(Fresnel lens)。附帶地，透鏡組合可以更包含一或多個元件，像是可以偏折傳輸通過電磁波的光軸(optical axis)的反光鏡(mirrors)，或像是可以聚焦電磁波的彎曲的聚焦反射器(curved focusing reflectors)，或像是其它可以聚焦電磁波的元件。當透鏡組合是由二或多個透鏡所組成時，這些透鏡通常是中心對齊(centered)並沿著透鏡組合的光軸被放置排列。一般來說，像素陣列是被放置在或著接近於透鏡組合的焦點平面藉以最佳化形成在像素陣列的影像，但是像素陣列與透鏡組合之間的距離是可以調整的藉以最佳化其性能。附帶地，像素陣列可以是一維陣列、二維陣列或甚至是三維陣列。像素陣列也可以是沿著曲線(curvilinear)線段或是彎曲表面被放置。
像素設計是重要的，藉以使得在每一個像素的接收器可以接收到自相對應空間通道所對應的物件所傳送、背向散射或反射來的能量。因此，一般來說，每一個像素的尺寸是等於或小於點擴散斑點的尺寸，藉以包含聚焦在像素陣列並散開(spread)的電磁波的能量的大約百分九十(以高斯直徑/Gaussian diameter定義)。點擴散斑點的尺寸不只是源自於透鏡繞射(diffraction)也受到透鏡像差(aberration)的影響。即使鏡片像差可以透過設計而大幅度地減少，但因為繞射限制的點擴散斑點在自由空間中的尺寸仍然最少是半個波長。繞射可以視為是空間的頻率過濾(spatial frequency filtering)，其阻撓了聚焦 系統重建原始點來源的影像。電磁能量的擴散使得位於同一個像素的接收器天線與發射器天線之間可以有一個合理距離。需要注意的是不只發射器天線與接收器天線二者的細節是沒有限制的，對於每一個像素來說這些發射器天線與這些接收器天線二者間的幾何關係也是沒有限制的。舉例來說，在不同的實施例，對於每一個像素，或可以發射器天線圍繞接收器天線，或可以接收器天線圍繞發射器天線，或可以發射器天線與接收器天線是併排排列的，或可以發射器天線與接收器天線是相互重疊的，也或可以發射器天線與接收器天線是相互分離的。
在一個像素中的發射器天線與接收器天線皆可以被任意地配置以搭配受益於利用電磁波偏振(polarization)的種種應用。基於不同偏振性的相互作用提供了關於遠端物件本質的有價值資訊。附帶地，建基於利用偏振編碼的通訊變得可行。為了實現這點，發射器天線與接收器天線都可以被設計來發送或接收垂直偏振或水平偏振的某一種。一個簡單的自垂直偏振改變為水平偏振的方式是將天線轉動90度。發射器與接收器在另一方面可以分別地透過切換器連接到發射器天線與接收器天線，藉此使發射器與接收器獨立地運作在不同的(或是這二種)偏振狀態。
屬於不同像素及/或相同像素的發射器與接收器都可以個別地被開啟或被關閉。在提出的方向回溯性準光學系統被應用在只與可對應空間中一個特定部分相互作用的情境，只有對應到這個特定部分的像素必須被啟用而其它部分的像素都可以被 關閉。通過這種方式，提出的方向回溯性準光學系統的整體能量消耗可以顯著地減少。除此之外，大量的發射器與大量的接收器可以透過一個由多數個切換器所組成的矩陣網路(matrix network)動態地連結至多數個後端處理單元。換句話說，視實際的需要，多數個可切換連接(switchable connection)可以在這些發射器/這些接收器以及後端處理單元間被動態地建立。
透鏡組合的設計是重要的，藉以為不同的應用提供需要的合適可對應空間。舉例來說，如果提出的方向回溯性準光學系統係被應用來與分佈在一個非常寬廣區域的多數物件相互作用，透鏡組合可以被設計成為具有寬闊的視野角，從大約90度到180度或是更大的角度。相對地，如果提出的方向回溯性準光學系統係被應用來與位於緊緻空間中的一些物件相互作用，像是置於室內門廳的一些裝置的通訊，透鏡組合的視野角可以被設計成為狹窄的以達成較高的解析度。不同透鏡組合的設計包含了改變至少一個透鏡的材料及/或曲率。進一步地，為了達到最高的對比度(contrast)與銳利度(sharpness)，相似於望遠鏡及/或顯微鏡的應用，這個透鏡組合的尺寸、等效焦距長度以及其它的光學性質都是可以設計的。
像素陣列的設計對於不同應用是重要的。舉例來說，取決於解析度的需求，像素的數量與分佈方式都是可以仔細地選擇。舉例來說，藉由讓像素間距(pixel spacing)小於點擴散斑點的尺寸，亦即過度取樣(oversampling)，可以確保最高解析 度。附帶地，取決於電磁波的頻率，不只每一個像素的尺寸與形狀可以改變，而且相鄰像素間的幾何關係也是可以改變的。
不同像素所發送的電磁波可以被編碼藉以增加解析度。因為在某些狀況下像素陣列所發射及/或所接收的電磁波的點擴散斑點尺寸或是半波長可能大於像素尺寸，接收器可以使用發射器編碼訊息來識別是否所接收到的訊號是由其相對應的發射器所發射。藉由這個方式，一個較小的等效點擴散斑點尺寸可以達成，而且來自電磁波波長的限制條件可以被放寬。這是另一個可以讓像素間距小於點擴散斑點尺寸是有價值的實施例。
附帶地，藉由個別地將不同像素所發送的電磁波予以編碼，所有的多重途徑訊號(multipath signals)可以同時地被看到與被分析，這是因為編碼機制提供了一個額外維度讓每一個像素可以區別這些入射的訊號。為了進一步闡述，一個僅顯示一個一維像素陣列以求簡單的運作樣例被提出。如第三A圖所示，一開始由像素陣列300的像素310所發出的電磁被傳播通過透鏡組合350到達遠端的物件360，這個遠端物件360反射與背向散射撞擊至其的電磁波而使得部分的散射電磁波回歸到透鏡組合350並聚焦在相同的像素310。無論如何，另外存在一個附帶的波束途徑可以將回響的(echoed)的訊號回歸到像素陣列300：遠端物件360可以反射或散射來自像素310的電磁波到另一個物件370。一些被物件370所散射的電磁波可以傳播通過透鏡組合350並且實際上降落於一個不同的像素320，從而給予一個多重途徑訊號。這 樣的結果是藉由處理在像素陣列300的不同像素所接收到的所有多重途徑訊號可以得到較高的總接收訊號強度。再次，實線與虛線是用來分別地表示電磁波傳播前往物件360的波束途徑以及電磁波傳播離開物件360的波束途徑。這個樣例顯示了這些多重波束途徑(虛線)是如何可以被看到與被分析。在一個所有像素同時地被啟動的樣例，來自所有物件的所有多重途徑訊號可能會對像素陣列300中所有接收訊號的像素引發混淆。因此，如果應用電磁波編碼，藉由分析這些像素中每一個所接收到的已編碼電磁波之後，有關於這些物件360/370的分佈與相對位置或甚至更多的訊息可以被精確地獲取。
提出的方向回溯性準光學系統可以在像素陣列與透鏡組合外還包括一些附加的裝置。舉例來說，為了執行零差偵測(homodyne detection)，在同一個像素內一部份的被發射訊號與一部份的被接收訊號係被由一個本地震盪器(local oscillator)所饋給(fed)的一對內部混合器(a pair of internal mixer)給鎖定頻率。舉另一個例子來說，對於像素陣列的每一個像素來說，一個隔離屏障(isolation barrier)(像是由吸收性材料所製作的結構)可以被用來隔離發射器天線與接收器天線藉以避免發出的電磁波直接耦合到接收器而沒有傳播通過透鏡組合。相同地，插入在像素間的隔離屏障可以被用來阻礙發出的電磁波直接自一個像素耦合到其鄰居。第三B圖摘要地描繪提出的方向回溯性準光學系統的像素陣列的像素的一些特殊設計，在此介於像素391、發射器天線 392、接收器天線393與隔離屏障394間的一些可選擇的幾何關係被摘要地描繪。舉例來說，對於至少一個像素391，由吸收材料所形成的隔離屏障394被放置在像素391的內部而使得像素391內部的發射器天線392與接收器天線393被隔離屏障394所分開。舉例來說，對於至少一個像素391，由吸收材料所形成的隔離屏障394被沿著像素391的邊界所放置而使得像素391的發射器天線392與接收器天線393二者被隔離屏障394所圍繞。舉例來說，對於至少一個像素391，由吸收材料所形成的隔離屏障394皆位於像素391內部並沿著像素391的邊界所放置而使得像素391的發射器天線392和接收器天線393的任一者都被隔離屏障394所圍繞。
提出的方向回溯性準光學系統可能需要一些附帶的裝置藉以適當地運作。舉例來說，像素陣列可以耦接到外部電路藉以個別地控制發射器與接受器的開啟和關閉或是藉以處理接收的資料。外部電路的細節，像是像素陣列是如何耦接到這個外部電路，也是未被限制的。舉例來說，像素陣列的這些像素可以透過可切換連接(switchable connection)耦接到外部電路藉以獨立地控制不同的像素。舉例來說，外部電路也可以被接口(interface)到現場可程式化閘陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)、微控制晶片或微處理器晶片藉以實現控制與資料採集。
需要注意的是提出的方向回溯性準光學系統的運作頻率並沒有被限制，因為電磁波的行為可以應用在任何的透鏡系 統。無論如何，提出的系統目前較適用於毫米波或太赫茲頻率。說明如下：在低頻率時，由於鏡頭尺寸受限於製造，點擴散斑點的尺寸主要是取決於繞射。如果頻率太低，像是只有幾個吉赫茲的射頻電磁波，透鏡會變得尺寸太大、太重與太貴。另一方面，在諸如可見光領域的非常高頻率時，點擴散斑點的尺寸變的非常小並且使得要將光學雷射與偵測器製造到小於點擴散斑點尺寸會非常困難。雖然還是可以藉由透鏡像差的增加以放置一個雷射與一個偵測器，但也犧牲了使用光學的重要原因：解析度。因此，提出的系統可以更合適於應用在大約10吉赫茲到750吉赫茲，或甚至10吉赫茲到1000吉赫茲，涵蓋了大部分的毫米波(30到300吉赫茲)及/或大部分的太赫茲波(300吉赫茲到10太赫茲)的領域，這是因為毫米波與太赫茲波的點擴散斑點尺寸更接近地匹配於使用現有積體電路製程所製造的像素的尺寸。請參考下列文獻：“Compact Single-Chip W-Band FMCW Radar Modules for Commercial High-Resolution Sensor Applications,”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,Vol.50,No.12,p.2995-3001(2002),Wang et.al.demonstrated a 0.18 micron CMOS 10 GHz signal-chip FMCW sensor of chip size 0.011 lambda2 in 2009。請參考下列文獻：“Design of X-Band RF CMOS Transceiver for FMCW Monopulse Radar,”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques Vol.57,No.1,p.61-70 (2009)。像素陣列的像素尺寸與透鏡組合的透鏡尺寸都可以增加或減少，不論是使用任何已知的、發展中的與將來出現的技術。因此，提出的方向回溯性準光學系統也可以適用在位於10吉赫茲到1000吉赫茲之外的其它電磁波，只要透鏡與像素的尺寸都可以隨著技術進展而增加或減少。
本發明的優勢可以藉由比較提出的方向回溯性準光學系統以及傳統的相位陣列系統和傳統的透鏡影像陣列系統來顯示。第四A圖、第四B圖與四C圖分別地摘要描繪習知的相位陣列系統、習知的透鏡影像陣列系統與提出的方向回溯性準光學系統。如第四A圖所示，不需要犧牲太多的能量傳遞，習知的相位陣列系統藉由適當地調整陣列441的多數個單元444的每一個發射中的發射器單元與每一個接收中的接收器單元的相位與振幅來產生一些雙向波束(bi-directional beam)420以與這些物件410的一部分同時地作用。如第四B圖所示，習知的透鏡影像陣列系統在透鏡組合430與所有的這些物件410之間同時地形成一些單向的波束途徑，而且陣列442具有的多數像素445中的每一個都僅僅具有接收器天線。如第四C圖所示，提出的方向回溯性準光學系統在透鏡組合430與所有的物件410之間具有一些雙向波束420(空間通道的數目取決於像素陣列中的像素數目)，而且陣列443的這些像素446的每一個都同時具有接收器天線與發射器天線。在這些圖示，Tx與Rx這二個標籤是用來標示分別地連接到發射器天線與接收器天線的發射器與接收器，而且介於透鏡組合430與陣列 441/442/443之間的波束途徑都被省略藉以簡化圖示。再次強調地是，這些系統具有的不同波束途徑420具有不同的方向性，在習知的相位陣列系統與提出的方向回溯性準光學系統這些波束途徑420在這些物件410與這些陣列441/443之間是雙向的，但相反地在習知的透鏡影像系統這些波束途徑420在物件410與陣列442之間僅為從物件410到陣列442的單一方向。必須再次強調地，雖然提出的方向回溯性準光學系統與習知的相位陣列系統都提供了與遠端物件間的雙向相互作用，相位陣列系統並不能同時地與所有的遠端物件相互作用。附帶地，對於提出的發明，介於像素陣列與遠端物件間的這些方向回溯性空間通道是由透鏡組合同時地建立。也需要強調地是提出的方向回溯性準光學系統可以簡單地重新配置。舉例來說，當僅僅監測可對應空間的一特定部分時，只有對應到這個特殊部分的一些像素需要被啟動。相對地，對於習知的相位陣列系統，所有的發射器與所有的接收器都需要被一起運作藉以合成由所有的像素移動元件(phase shifting elements)449所發出的所有電磁波來將能量發射到特殊的位置。附帶地，提出的方向回溯性準光學系統不需要為了合成從每一個發射器天線所發出的這些電磁波而需要額外的控制與計算的能量或造成延遲(delay)，而且提出的方向回溯性準光學系統的運作與實現是大幅度地簡化。綜上所述，提出的方向回溯性準光學系統節省了整體的能量耗損(沒有計算與相位調整器的能量耗損也沒有電磁波損失)，簡化了運作(不需要大量的計算也減少了延遲 (latency))並且容易實現(沒有太多的校正負擔(calibration effort)也不需要額外的用以相位調整的類比電路)。當比較習知的透鏡影像陣列系統與提出的方向回溯性準光學系統時，習知的透鏡影像陣列僅具有一些接收器而沒有任何發射器。因此，習知的透鏡影像陣列只能被動地接收自這些物件發射而來的電磁波，並對於外界的能量來源僅有有限的控制。除此之外，提出的方向回溯性準光學系統可以主動地僅僅探索可對應空間的一部分並啟動相對應的一些像素，但是習知的透鏡影像系統需要外界的發射器與硬體做附加的對準與校正。這意味著提出的方向回溯性準光學系統不只可以主動地偵測這些遠端物件，還可以使用較少的發射器總功率來偵測這些遠端物件。提出的方向回溯性準光學系統可以有效率地使用能量來發出電磁波，開啟了新的毫米波與太赫茲波應用，特別是因為一般來說，這些頻率的電磁波能量來源是需要高能量和昂貴的。
第五A圖顯示了提出的方向回溯性準光學系統的一般運作的流程圖。一開始，如步驟方塊501所示，提供一個透鏡組合與一個像素陣列，在此透鏡組合是由一或多個透鏡所組成而像素陣列是由位於透鏡組合一側的多數像素所形成。其次，如步驟方塊502所示，使用至少一個像素發射電磁波通過透鏡組合而到達由透鏡組合所定義的可對應空間的一特殊部分。然後，如步驟方塊503所示，使用至少一個像素接收自這個特殊部分散射、反射或發射並經過透鏡組合的電磁波，在此接收電磁波的一些像素可以 等於或不同於發射電磁波的一些像素。第五B圖顯示了運作提出的方向回溯性準光學系統的一種流程圖。一開始，如步驟方塊511所示，提供一個透鏡組合與一個像素陣列，在此透鏡組合是由一或多個透鏡所組成而像素陣列是由位於透鏡組合一側的多數像素所形成。其次，如步驟方塊512所示，使用像素陣列的第一部分來發射與接收第一電磁波藉以與透鏡組合所定義的可對應空間的第一部分相互作用，在此接收電磁波的一些像素可以等於或不同於發射電磁波的一些像素。然後，如步驟方塊513所示，使用像素陣列的第二部份來發射與接收第二電磁波藉以與透鏡組合所定義的可對應空間的第二部分相互作用，在此接收電磁波的一些像素可以等於或不同於發射電磁波的一些像素。在此之後，重複上述步驟直到可對應空間的多數不同部分與像素陣列的多數不同部分相互作用，如步驟方塊514所示。更多的例子陳述如下。為了在一個特定時刻遠端偵測空間分布在可對應空間中的所有物件，所有的像素可以被同時地啟動。為了識別是否一個小物件鄰接於具有相似反射率的一個大物件，被對應到這個大物件及其附近的一些像素可以被重複地運作在不同的聚焦狀態，像是藉由改變像素陣列與透鏡組合間的距離，藉以透過比較多數個獲得影像來判定這個小物件的存在。為了追蹤在一個時間週期內一個物件在可對應空間內的運動，在一個啟始時刻發現了這個物件的位置之後，不同的像素可以依序被啟動與運作藉以在不同時刻獲得這個物件的多數影像。為了在一段時間內與分佈在透鏡組合所定義的可對應空 間中的多數裝置持續地通訊，只有對應到這些裝置的一些像素必須在這段時間內持續地被運作。為了在一段時間內可以在任何時間任何位置發現出現在可對應空間的一些目標物件，所有的像素可以依照一個特殊順序(像是依序地)被啟動藉以使得像素陣列可以依照一個特殊順序與可對應空間中不同部分相互作用來追蹤這些物件。
所提出發明的一個樣例的商業應用是低功率與快速切換的無線基地台。這個無線基地台具有一或多個透鏡(亦即透鏡組合)藉以將入射的電磁波聚焦到由多數像素構成的陣列(亦即像素陣列)，在此每一個像素(亦即每一個陣列元件)的尺寸約為無線基地台運作頻率相對應波長的一半到一倍一樣大並且包含了一對的發射器天線與接收器天線。如第六圖所示，當運作在接收模式，兩個手機601在不知道無線基地台602的位置訊息時分別發出適當編碼的射頻電磁波以進行高速高容量可移動通訊。為了簡化，每一個空間通道都只描繪出一個射線(波束途徑)。這些射頻電磁波可以透過方向回溯性準光學系統沿視線(line of slight)地或間接地(透過一或多個物件603的反射，亦即多重途徑)抵達無線基地台602，在此實線與虛線分別地被用來表達這兩種途徑：沿視線(實線)與多重途徑(虛線)。當這些多重途徑射頻電磁波抵達無線基地台的方向回溯性準光學系統時，透鏡聚焦機制可以依據抵達透鏡的角度來區別入射的多重途徑的射頻電磁波。在此，透鏡組合691與像素陣列692被描繪來顯示射頻電磁波如何傳播通過透鏡組合691 而抵達像素陣列692。從而，接收的射頻電磁波訊號強度指示器(receiving-RF-signal-strength-indicator，RSSI)啟動，並且可以觀察到相應於發射需要訊號的手機端的四個像素陣列元件的甦醒。接著訊號強度指示器的訊號啟動了發射器模組，其係相符合於位於相同像素陣列元件的相鄰接收用天線。無線基地台然後發射訊號其沿著入射的射頻訊號途徑回溯，遵守著可逆性原理，進而幾乎即刻地建立手機601與基地台602之間的訊號交換(handshaking)。此外，當運作在廣播模式，像素陣列692的所有發射器都開啟並且發出廣播訊號到達需要覆蓋區域的每個角落(或視為抵達由透鏡集合691鎖定義的可對應空間的所有部分)。當手機601接受邀請，其發出的回覆所沿著的射頻訊號途徑係與接收模式所描述的相似，然後基地台602立刻地知道誰自哪個位置回覆這個廣播而不需要執行搜索來發現手機601的位置。特別地，空間傅立葉轉換定義了特殊的空間傳播通道，並消除了在大規模的多重輸出多重輸入或相位陣列通訊系統中需要密集計算的波束形成與波束導引，例如在為了訊號整合需要較大的訊號雜訊比的區域，像素陣列692的這些發射器可以選擇地發出較高的射頻功率。此外，當手機601移動離開了這個區域而進入了由基地台602所照射的相鄰區域，基地台602立刻知道手機601的移動方向並且切換到需要的發射器以無縫地重新連接通訊。附帶地，理論上，如此基地台可以支援的移動裝置的數量是像素陣列元件的數目與每一個像素陣列元件可允許的移動裝置的數目二者的乘積。附帶地，超 高速通訊的本質主要依賴於射頻電磁波訊號強度指示器的啟動延遲時間以及切換多重輸入和多重輸出所需要的時間，在類比基頻(baseband)或數位基頻的形式。總切換時間在使用現代電子科技時是在小於1.0微秒(microsecond)。
顯然地，依照上面實施例中的描繪，本發明可能有許多的修正與差異。因此需在其附加的權利請求項的範圍內加以理解，除上述詳細描繪外，本發明還可以廣泛地在其它的實施例中施行。上述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明的申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範圍內。

Claims (20)

  1. 一種方向回溯性準光學系統，包含：一透鏡組合，係由一或多個透鏡所組成；以及一像素陣列，係由一些像素所組成；在此，像素陣列係位於透鏡組合的一側；在此，每一個像素是由一或多個發射器天線與一或多個接收器天線所組成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的系統，更包含至少下列之一：每一個發射器天線係連接到一或多個發射器和每一個接收器天線係連接到一或多個接收器；以及每一個發射器係連接到一或多個發射器天線和每一個接收器係連接一或多個接收器天線。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的系統，更包含至少下列之一：每一個像素的物理尺寸與邊界是由其所有的一或多發射器天線與一或多接收器天線的組合區域所定義；發射器和接收器完全地或部分地位於像素內；以及發射器和接收器完全地位於像素外。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的系統，更包含至少下列之一：每一個像素的尺寸是等於或小於傳輸通過透鏡組合的電磁波的點擴散斑點尺寸： 每一個像素的一或多發射器天線與一或多接收器天線的組合的尺寸是等於或小於傳輸通過透鏡組合的電磁波的點擴散斑點尺寸；每一個像素的一或多發射器天線、一或多接收器天線、一或多發射器和一或多接收器的組合的尺寸是等於或小於傳輸通過透鏡組合的電磁波的點擴散斑點尺寸；以及每一像素中一或多接收器天線與一或多發射器天線二者間的最大距離是不大於聚焦電磁波的點擴散斑點尺寸；在此，點擴散斑點尺寸包含聚焦在像素陣列並散開的電磁波的大約百分九十的能量(以高斯直徑定義)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的系統，在此可對應空間是由透鏡集合的一或多光學性質所決定，在此一或多光學性質係由從以下組成的群組中所選擇的：視野角、等效焦距長度與光圈值。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的系統，至少一發射器可以調整所產生電磁波的頻率、相位、偏振及/或幅度。
  7. 如申請專利範圍第2項所述的系統，更包含至少下列之一：在同一個像素中的一或多發射器天線與一或多接收器天線可以被任意地配置藉以配合受益於利用電磁波偏振的種種應用；在同一個像素中的一或多發射器天線與一或多接收器天線可 以被設計來發出或接收垂直偏振或水平偏振；一或多發射器天線和一或多接收器天線的任一者可以被轉動九十度；以及發射器與接收器可以個別地透過多數切換器連接至一或多發射器天線和一或多接收器天線，其獨立地使得一或多發射器和一或多接受器運作在不同的偏振狀態。
  8. 如申請專利範圍第2項所述的系統，更包含至少下列之一：不同的一些像素所發出的電磁波可以被編碼；接收器可以使用發射器的編碼訊息來辨別是否接收到的一些訊號是由其相對的發射器所發射；以及不同的一些像素所發出的電磁波可以個別地被編碼使得所有的多重途徑訊號可以被同時地看到與分析。
  9. 如申請專利範圍第2項所述的系統，更包含至少下列之一：這些發射器與這些接收器分別地包含可以將電訊號轉換為輸出電磁波的電路元件和將入射電磁波轉換為電訊號的電路元件；這些電路元件包含過濾及/或放大電磁波的元件；這些電路元件包含電磁分離器及/或電磁結合器；在發射器這些電路元件包含發射器及/或震盪器；以及在接收器這些電路元件包含偵測器及/或混和器。
  10. 如申請專利範圍第2項所述的系統，更包含至少下列之一：多數發射器與多數接收器透過一個由多數個切換器所組成的矩陣網路動態連結至多數個後端處理單元；在相同像素的一或多發射器與一或多接收器是被由一個本地震盪器所饋給的一對內部混合器給鎖定頻率；以及在相同像素的一部份發射的訊號與一部份接收的訊號是被由一個本地震盪器所饋給的一對內部混合器給混和而頻率向下轉變或頻率向上轉變這些訊號。
  11. 如申請專利範圍第2項所述的系統，更包含至少下列之一：屬於不同像素的多數不同發射器是獨立地被開啟或被關閉；屬於不同像素的多數不同接收器是獨立地被開啟或被關閉；屬於相同像素的多數發射器是獨立地被開啟或被關閉；以及屬於相同像素的多數接收器是獨立地被開啟或被關閉。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的系統，更包含至少下列之一：透鏡組合的至少一透鏡是凸凸透鏡；透鏡組合的至少一透鏡是凹凹透鏡；透鏡組合的至少一透鏡是凸凹透鏡；透鏡組合的至少一透鏡是凹凸透鏡；透鏡組合的至少一透鏡是凸平透鏡；透鏡組合的至少一透鏡是凹平透鏡； 透鏡組合的至少一透鏡是平凸透鏡；透鏡組合的至少一透鏡是平凹透鏡；透鏡組合的至少一透鏡是菲涅耳透鏡；透鏡組合的至少一透鏡是反光鏡；透鏡組合的至少一元件可以偏折傳輸通過的電磁波的光軸；透鏡組合的至少一元件是彎曲的聚焦反射器；以及透鏡組合的至少一元件可以聚焦電磁波。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的系統，更包含至少下列之一；這些像素被排列成為一維陣列；這些像素沿著一曲線段被排列；這些像素被排列成為二維陣列；這些像素沿著一彎曲表面被排列；這些像素是列成為三維陣列；以及像素陣列的間距係小於點擴散斑點的尺寸藉以達到最高解析度，在此點擴散斑點包含聚焦在像素陣列並散開的電磁波的大約百分九十的能量(以高斯直徑定義)。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的系統，更包含至少下列之一：由吸收性材料所形成的隔離屏障被沿著至少一像素的邊界被放置，相同像素的一或多發射器天線與一或多接收器天線係被隔離屏障所圍繞； 由吸收性材料所形成的隔離屏障被放置在至少一像素的內部，相同像素的一或多發射器天線與一或多接收器天線是被隔離屏障所分隔；以及由吸收性材料所形成的隔離屏障被放置在至少一像素的內部並沿著其邊界被放置，相同像素的一或多發射器天線與一或多接收器天線二者皆被隔離屏障所圍繞。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的系統，更包含至少下列之一：像素陣列是放置在或靠近於透鏡組合的聚焦平面；透鏡組合係由沿著透鏡組合的光軸所排列的二或多透鏡所組成；透鏡驅動裝置，其係用以驅動或傾斜透鏡組合的至少一透鏡；以及像素驅動裝置，其係用以驅動或傾斜像素陣列的至少一像素。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的系統，更包含至少下列之一：像素陣列與透鏡組合運作在約十吉赫茲到約七百五十吉赫茲；像素陣列與透鏡組合運作在約十吉赫茲到約一千吉赫茲；像素陣列與透鏡組合運作在毫米波或太赫茲波範圍；以及像素陣列與透鏡組合運作的頻率範圍的波長等於或大於單一像素的發射器天線與接收器天線的組合尺寸。
  17. 一種運作如申請專利範圍第1項所述的方向回溯性準光學系統的方法，包含：提供一透鏡組合與一像素陣列，在此透鏡組合是由一或多透鏡所組成而像素陣列是由位於透鏡組合一側的一些像素所組成；使用至少一像素發射電磁波通過透鏡組合而進入由透鏡組合所定義的可對應空間的一部分；以及使用至少一像素接收自遠端物件所散射、所反射或所發射並經過透鏡組合而來的電磁波，在此接收電磁波的一些像素可以等於或不同於發射電磁波的一些像素。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的方法，更包含至少下列之一：所有的這些像素係同時地開啟藉以在一特定時刻遠端偵測空間分佈在可對應空間的所有物件；以及對應到一個大物件及其鄰近區域的一些像素被重複地操作在不同的聚焦狀態藉以透過比較多數獲得的影像來判定是否一個小物件鄰接於此大物件。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的方法，更包含至少下列之一：在一個啟始時刻發現了一物件的位置之後不同的一些像素可以依序被啟動與運作以在不同時刻獲得這個物件的多數影像來獲得此物件的軌跡，藉以在一個時間週期內追蹤這個物件在可對應空間內的運動； 只有對應到不同裝置的一些像素必須在一段時間周期內持續地被運作，藉以在這段時間周期內與分佈在透鏡組合所定義的可對應空間中的這些裝置持續地通訊；以及所有的這些像素可以依照一個特殊順序被啟動藉以使得像素陣列可以依照一個特殊順序與可對應空間中不同部分相互作用，藉以在一段時間周期內發現在任何時間任何位置出現在可對應空間的一些目標物件。
  20. 一種運作如申請專利範圍第1項所述的方向回溯性準光學系統的方法，包含：提供一透鏡組合與一像素陣列，在此透鏡組合是由一或多透鏡所組成而像素陣列是由位於透鏡組合一側的一些像素所組成；使用像素陣列的第一部分發射與接收第一電磁波藉以與可對應空間的第一部分相互作用，在此接收電磁波的一些像素可以等於或不同於發射電磁波的一些像素；使用像素陣列的第二部分發射與接收第二電磁波藉以與可對應空間的第二部分相互作用，在此接收電磁波的一些像素可以等於或不同於發射電磁波的一些像素；以及重複上述步驟直到可對應空間的許多不同部分已經與像素陣列的許多不同部分相互作用。
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