TWI470258B - 非線性動態聚焦控制方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於動態接收聚焦控制方法,特別是關於一種聚焦點呈非線性分佈之動態接收聚焦成像控制方法。
超音波影像由於具有非侵入式、即時成像、高影像品質等特性,因此在生物醫學及工業檢測領域皆有廣泛之應用。在超音波影像系統中,又以波束形成器(Beamformer)最為關鍵,所謂波束形成器係位於系統前端,用於取得探頭之電訊號、進行延遲控制及相關之訊號處理,其處理後之訊號品質良窳將對系統後端之應用產生重大影響,故波束形成器之設計對於影像系統極為重要。
習知之波束形成器係由發射端與接收端二個部分所構成,發射端係用以控制陣列換能器(Transducer)中各個頻道之發射時序,以達到波束偏移及聚焦之效果,接收端則用以提供各個頻道之接收聚焦延遲以及進行延遲加總(Delay-Sum)。因各該頻道之聚焦延遲係為隨距離變化之函數,為取得更高品質之影像,必須動態地更新各該頻道之聚焦延遲值,並給予各該頻道不同之權值,以進行可適性
(Adoptive)調整來改善因超音波在不同組織中的傳播速度不同所造成之相位偏移。
第1圖係為具有陣列換能器之成像系統中之接收端的示意圖。該接收端1包括陣列換能器10、延遲單元11、加權單元12、以及加總單元13。
當該接收端1欲計算一聚焦點14對於位於(x,0)位置之頻道的聚焦延遲時,其聚焦延遲方程式如下所示:
,其中,t rx
為聚焦延遲、R
為該聚焦點14至該陣列換能器10之中心點之距離、θ
為該聚焦點14至該陣列換能器10之中心點的連線與z
軸之夾角、以及c
為波速。
然而,超音波成像之動態聚焦包括大量的即時運算及資料傳輸,其計算將極為複雜。以一具有64個頻道之波束形成器為例,其計算每一個取樣點之權值時,需要進行64乘64的矩陣轉置運算,因此,當增加取樣點之數目以改善影像品質時,其運算複雜度將急遽提升。
由上述可知,習知波束形成器在增進影像品質的同時,需增加陣列換能器之頻道數或增加各頻道之採樣點,從而提高系統之運算複雜度,因此,如何提供能夠降低運算複雜度並保持良好影像品質的波束形成器設計,遂成為目前本領域技術人員亟待解決的課題。
為解決前述習知技術之缺點,本揭露之目的在於提供一種非線性動態聚焦控制方法,係應用於具有陣列換能器之成像系統,包括:(1)選擇掃瞄線,其中,該掃瞄線具有最小長度與最大長度,並以該最小長度作為初始位置,且該掃瞄線上配置有聚焦點;(2)計算該聚焦點之半焦深,將該初始位置加上該聚焦點之半焦深作為該聚焦點位於該掃瞄線上之位置,其中,計算該聚焦點位於該掃瞄線上之位置的方程式為為該聚焦點之半焦深、λ
為該成像系統所發出之超音波波長、A
為該成像系統所發出之超音波的孔徑、zF,i
為該聚焦點位於該掃瞄線上之位置、z i
為該初始位置、K
為用以調整該掃瞄線上之該些聚焦點的總數目之係數;(3)以該聚焦點位於該掃瞄線上之位置向該最大長度的方向加上該聚焦點之半焦深作為下一聚焦點之計算起始位置;以及(4)判斷該下一聚焦點之計算起始位置是否大於該最大長度,若否,則以該下一聚焦點之計算起始位置取代該初始位置,並重複步驟(2)至(3),若是,則結束計算;其中,該掃瞄線上之該些聚焦點位置係依據點波源擴散函數之位移不變特性而呈非線性分佈。
本揭露復提供一種非線性動態聚焦控制方法,係應用於具有陣列換能器之成像系統中,包括:(1)選擇掃瞄線,其中,該掃瞄線具有最小長度與最大長度;(2)於該掃瞄線上設定轉折點,將該掃瞄線區分為n個掃瞄線段,其中,n不小於2,且該n個掃瞄線段沿該掃瞄線由該最小長度至
該最大長度的方向依序排列,該n個掃瞄線段中之第一掃瞄線段以該最小長度作為初始位置,並以最接近該最小長度之轉折點作為結束位置,第n個掃瞄線段則以該最大長度作為結束位置,並以最接近該最大長度之轉折點作為初始位置,其餘掃瞄線段由最接近該最小長度之轉折點開始,分別以相鄰之二轉折點作為初始位置與結束位置,再於各該掃瞄線段上配置聚焦點;(3)計算各該掃瞄線段之聚焦點的半焦深,並以各該掃瞄線段之該初始位置加上對應之各該掃瞄線段之聚焦點的半焦深作為各該掃瞄線段之該聚焦點位於各該掃瞄線段上之位置,其中,計算各該聚焦點位於各該掃瞄線段上之位置的方程式為為該聚焦點之半焦深、λ
為該成像系統所發出之超音波波長、A
為該成像系統所發出之超音波的孔徑、zF,i
為該聚焦點位於該掃瞄線上之位置、z i
為該初始位置、△z i
為用於調整該聚焦點位於該掃瞄線上之位置的校正項、K
為用以調整該掃瞄線上之該些聚焦點的總數目之係數;(4)以各該聚焦點位於各該掃瞄線段上之位置向該最大長度的方向加上對應之各該聚焦點之半焦深作為各該掃瞄線段之下一聚焦點之計算起始位置;以及(5)分別判斷該各該掃瞄線段之下一聚焦點之計算起始位置是否大於各該掃瞄線段之結束位置,若否,則以該掃瞄線段之該下一聚焦點之計算起始位置取代該掃瞄線段之該初始位置,並重複步驟(3)至(4),若是,則結束該掃瞄線段之計
算;其中,該掃瞄線上之該些聚焦點位置係依據點波源擴散函數之位移不變特性而呈非線性分佈,且該些掃瞄線段中之至少一者的△z i
係不同於其他各者。
相較於習知技術,本揭露之非線性動態聚焦控制方法依據波源擴散函數之位移不變特性使掃瞄線上之聚焦點呈非線性分佈,能夠更有效率的配置聚焦點,並能夠以聚焦點為中心沿該掃瞄線形成長度為該聚焦點之焦深的加權區塊,並給予位於同一加權區塊內的取樣點相同之權值,從而有效地降低系統複雜度。
10‧‧‧陣列換能器
11‧‧‧延遲單元
12‧‧‧加權單元
13‧‧‧加總單元
14‧‧‧聚焦點
20、30‧‧‧掃瞄線
30a‧‧‧轉折點
301‧‧‧第一掃瞄線段
302‧‧‧第二掃瞄線段
R
‧‧‧距離
θ
‧‧‧夾角
F i
‧‧‧聚焦點
zF,1
、…、zF,N
‧‧‧聚焦點位於掃瞄線上之位置
zmin
‧‧‧最小長度
zmax
‧‧‧最大長度
‧‧‧下一聚焦點之計算起始位置
‧‧‧半焦深
w
(z F,1
)、…、w
(z F,N
)‧‧‧加權區塊
xl
(i)‧‧‧取樣點
S21至S25‧‧‧步驟
S31至S36‧‧‧步驟
第1圖係為具有陣列換能器之成像系統中之接收端的示意圖;第2A圖係為本揭露之非線性動態聚焦控制方法之一實施例完成聚焦點計算與配置後的示意圖;第2B圖係為本揭露之非線性動態聚焦控制方法之一實施例的流程圖;第2C圖係為本揭露之非線性動態聚焦控制方法之一實施例的聚焦點之位置分佈統計圖;第2D圖係為本揭露之非線性動態聚焦控制方法之一實施例之聚焦點設於最大長度上之示意圖;第2E圖係為本揭露之非線性動態聚焦控制方法之一實施例之加權區塊之示意圖;第3A圖係為本揭露之非線性動態聚焦控制方法之另一實施例完成聚焦點計算與配置後的示意圖;
第3B圖係為本揭露之非線性動態聚焦控制方法之另一實施例的流程圖;以及第3C圖係為本揭露之非線性動態聚焦控制方法之另一實施例的聚焦點之位置分佈統計圖。
以下係藉由特定的具體實施例說明本揭露之實施方式,本領域中具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他優點與功效。本揭露亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用,本說明書中之各項細節亦可基於不同觀點及應用,在不悖離本揭露之精神下進行各種修飾與變更。
第2A圖係為本揭露之非線性動態聚焦控制方法之一實施例完成聚焦點計算與配置後的示意圖。如圖所示,該些聚焦點F i
(i
之範圍為1到N)係以zF,1
至zF, N
之位置分佈於一具有最小長度zmin
與最大長度zmax
之掃瞄線20上,其中,以各該聚焦點F i
位於該掃瞄線上之位置zF,1
至zF,N
為中心,向該最小長度zmin
方向及該最大長度zmax
的方向分別延伸各該聚焦點F i
所對應之半焦深以形成加權區塊w
(z F,1
)至w
(z F,N
)。
第2B圖係為本揭露之非線性動態聚焦控制方法之一實施例的流程圖。如圖所示,其具體流程包括以下的步驟:於步驟S21中,選擇掃瞄線20,其中,該掃瞄線20具有最小長度zmin
與最大長度zmax
,並以該最小長度zmin
作
為初始位置z i
,於該掃瞄線20上配置聚焦點Fi。
於步驟S22中,計算該聚焦點F i
之半焦深,且將該
初始位置z i
加上該聚焦點F i
之半焦深作為該聚焦點位於該掃瞄線20上之位置zF,i
,其中,計算該聚焦點位於該掃瞄線上之位置的方程式為 為該聚焦點之半焦深、λ
為該成像系統所發出之超音波波長、A
為該成像系統所發出之超音波的孔徑、zF,i
為該聚焦點位於該掃瞄線上之位置、z i
為該初始位置、K
為用以調整該掃瞄線上之該些聚焦點的總數目之係數。
於一實施態樣中,求解計算該聚焦點位於該掃瞄線上之位置的方程式可得,其中僅有一解將位於該初始位置
及該最大長度之內,故步驟S22復包括確認該聚焦點F i
位於該掃瞄線20上之位置係大於該初始位置z i
且小於該最大長度zmax
。
於另一實施態樣中,步驟S22復包括將該聚焦點之半
焦深與該成像系統預設之取樣點長度(Sample Duration)
進行比對,若該聚焦點之半焦深小於該預設之取樣點長度,以該預設之取樣點長度取代該聚焦點之半焦深。
於步驟S23中,以該聚焦點位於該掃瞄線上之位置zF,i
向該最大長度zmax
的方向加上該聚焦點之半焦深作為下一聚焦點之計算起始位置。
於步驟S24中,判斷該下一聚焦點之計算起始位置是否大於該最大長度zmax
,若否,則以該下一聚焦點之計算起始位置取代該初始位置z i
,並重複步驟S22至S23,若是,則結束計算並執行下述之步驟S25。
於本實施例中,該掃瞄線上之該些聚焦點位置係依據點波源擴散函數(Point Spread Function,PSF)之位移不變(Shift Invariance,SI)特性而呈非線性分佈,舉例而言,該非線性分佈係為二次非線性分佈,如第2C圖所示。
於一實施態樣中,步驟S24復包括當該下一聚焦點之計算起始位置小於該最大長度zmax
,且該最大長度zmax
減去該下一聚焦點之計算起始位置小於下一聚焦點之半焦深時,將該下一聚焦點設於該最大長度zmax
上,如第2D圖所示。
於步驟S25中,該陣列換能器係沿該掃瞄線20接收至
少一個取樣點x l
(i
),並以各該聚焦點F i
位於該掃瞄線上之位置zF,i
為中心,向該最小長度zmin
方向及該最大長度zmax
的方向分別延伸各該聚焦點zF,i
所對應之半焦深以形成至少一個加權區塊w
(z F,i
),並給予包含在同一個該加權區塊w
(z F,i
)中之該取樣點x l
(i
)相同之權值,從而降低運算複雜度,如第2E圖所示。
第3A圖係為本揭露之非線性動態聚焦控制方法之另一實施例完成聚焦點計算與配置後的示意圖。如圖所示,該些聚焦點F i
(i
之範圍為1到N)係以zF,1
至zF,N 之
位置分佈於一具有最小長度zmin
與最大長度zmax
之掃瞄線30上,該掃瞄線30上具有一轉折點(Knee)30a以將該掃瞄線30區分為第一掃瞄線段301與第二掃瞄線段302,其中,以各該聚焦點F i
位於該掃瞄線30上之位置zF,1
至zF,N
為中心,向該最小長度zmin
的方向及該最大長度zmax
的方向分別延伸各該聚焦點F i
所對應之半焦深以形成加權區塊w
(z F,1
)至w
(z F,N
)。
第3B圖係為本揭露之非線性動態聚焦控制方法之另一實施例的流程圖。如圖所示,其具體流程包括以下的步驟:於步驟S31中,選擇掃瞄線30,其中,該掃瞄線30具有最小長度zmin
與最大長度zmax
。
於步驟S32中,於該掃瞄線30上設定一轉折點30a,
將該掃瞄線30區分為第一掃瞄線段301與第二掃瞄線段302,其中,該第一掃瞄線段301與第二掃瞄線段302沿該掃瞄線30由該最小長度zmin
至該最大長度zmax
方向依序排列,該第一掃瞄線段301以該最小長度zmin
作為初始位置z i
,並以最接近該最小長度zmin
之轉折點30a作為結束位置z End
,第二個掃瞄線段則以該最大長度zmax
作為結束位置z End
,並以最接近該最大長度zmax
之轉折點30a作為初始位置z i
,再於第一掃瞄線段301與第二掃瞄線段302上配置聚焦點F i
。於本實施例中,雖以掃瞄線上設置有一個轉折點為例,但並非以此為限,該轉折點可為複數個,並將掃瞄線區分為複數個掃瞄線段。
於一實施態樣中,該轉折點30a係為近場區域(Near Range)與遠場區域(Far Range)之交界點,或為發射聚焦點(Transmit Focus),但本揭露之轉折點並不以此為限,而可依不同之應用而任意設定。
於步驟S33中,計算該第一掃瞄線段301及第二掃瞄線段302之聚焦點F i
的半焦深,以該第一掃瞄線段301
之初始位置z i
加上對應之聚焦點F i
的半焦深作為該第一掃瞄線段301之該聚焦點F i
位於該第一掃瞄線段上之位置zF,i
,並以該第二掃瞄線段302之初始位置z i
加上對應之聚焦點F i
的半焦深作為該第二掃瞄線段302之該聚焦點
F i
位於該第二掃瞄線段上之位置zF,i
,其中,計算各該聚焦點位於各該掃瞄線段上之位置的方程式為為各該聚焦點之半焦深、λ
為該成像系統所發出之超音波波長、A
為該成像系統所發出之超音波的孔徑、zF,i
為該聚焦點位於該掃瞄線上之位置、z i
為該初始位置、△z i
為用於調整該聚焦點位於該掃瞄線上之位置的校正項、K
為用以調整該掃瞄線上之該些聚焦點的總數目之係數。
於一實施態樣中,調整計算該聚焦點位於該掃瞄線上之位置的方程式中之△z i
能使各該掃瞄線段上之該些焦點位置呈線性分佈、二次非線性分佈、三次非線性分佈或更高次非線性分佈,從而使整條掃瞄線上之聚焦點分佈係為複合式(Compound)之非線性分佈,如第3C圖所示。
於另一實施態樣中,步驟S33復包括將該聚焦點F i
之半焦深與該成像系統預設之取樣點長度進行比對,若
該聚焦點之半焦深小於該預設之取樣點長度,以該預設之取樣點長度取代該聚焦點之半焦深。
於步驟S34中,以各該聚焦點F i
位於該第一及第二掃瞄線段301、302上之位置zF,i
向該最大長度zmax
的方向加上
對應之各該聚焦點之半焦深作為該第一及第二掃瞄線段301、302之下一聚焦點之計算起始位置。
於步驟S35中,分別判斷該第一及第二掃瞄線段301、302之下一聚焦點之計算起始位置是否大於該第一及第二掃瞄線段301、302之結束位置z End
,若否,則以該掃瞄線段之該下一聚焦點之計算起始位置取代該掃瞄線段之該初始位置z i
,並重複步驟S33至S34,若是,則結束該掃瞄線段之計算並執行下述之步驟S36。
於本實施例中,該掃瞄線30上之該些聚焦點位置係依據點波源擴散函數之位移不變特性而呈非線性分佈,且該第一掃瞄線段中之△z i
係不同於該第二掃瞄線段,亦即,該非線性分佈係為複合式之非線性分佈,如第3D圖所示。
於步驟S36中,該陣列換能器係沿該掃瞄線接收至少一個取樣點x l
(i
),並以各該聚焦點F i
位於該掃瞄線上之位置zF,i
為中心,向該最小長度zmin
的方向及該最大長度zmax
的方向分別延伸各該聚焦點zF,i
所對應之半焦深以形成至少一個加權區塊w
(z F,i
),並給予包含在同一個該加權區塊w
(z F,i
)中之該取樣點x l
(i
)相同之權值,從而降低運算複雜度。
綜上所述,本揭露之非線性動態聚焦控制方法藉由點波源擴散函數之位移不變特性使聚焦點呈非線性分佈,能更有效率的配置聚焦點,並以聚焦點為中心所延伸出之焦深範圍形成加權區塊,給予包含在同一加權區塊中之取樣
點相同之權值,從而有效降低運算複雜度,滿足超音波聚焦成像降低系統複雜度同時保有高品質影像之需求。
上述實施例僅為例示性說明本揭露之原理及其功效,而非用於限制本揭露。任何本領域中具有通常知識者均可在不違背本揭露之精神及範疇下,對上述實施例進行修飾與變化。
20‧‧‧掃瞄線
F i
‧‧‧聚焦點
zF,1
、…、zF,N
‧‧‧聚焦點位於掃瞄線上之位置
zmin
‧‧‧最小長度
zmax
‧‧‧最大長度
‧‧‧半焦深
w
(z F,1
)、…、w
(z F,N
)‧‧‧加權區塊
Claims (13)
- 一種非線性動態聚焦控制方法,係應用於具有陣列換能器之成像系統,包括:(1)選擇掃瞄線,其中,該掃瞄線具有最小長度與最大長度,並以該最小長度作為初始位置,且該掃瞄線上配置有聚焦點;(2)計算該聚焦點之半焦深,將該初始位置加上該聚焦點之半焦深作為該聚焦點位於該掃瞄線上之位置,其中,計算該聚焦點位於該掃瞄線上之位置的方程式為為該聚焦點之半焦深、λ 為該成像系統所發出之超音波波長、A 為該成像系統所發出之超音波的孔徑、zF,i 為該聚焦點位於該掃瞄線上之位置、z i 為該初始位置、K 為用以調整該掃瞄線上之該些聚焦點的總數目之係數;(3)以該聚焦點位於該掃瞄線上之位置向該最大長度的方向加上該聚焦點之半焦深作為下一聚焦點之計算起始位置;以及(4)判斷該下一聚焦點之計算起始位置是否大於該最大長度,若否,則以該下一聚焦點之計算起始位置取代該初始位置,並重複步驟(2)至(3),若是,則結束計算;其中,該掃瞄線上之該些聚焦點位置係依據點波源擴散函數之位移不變特性而呈非線性分佈。
- 如申請專利範圍第1項所述之非線性動態聚焦控制方法,其中,該非線性分佈係為二次非線性分佈。
- 如申請專利範圍第1項所述之非線性動態聚焦控制方法,其中,步驟(2)復包括:確認該聚焦點位於該掃瞄線上之位置係大於該初始位置且小於該最大長度的步驟。
- 如申請專利範圍第1項所述之非線性動態聚焦控制方法,其中,步驟(2)復包括:將該聚焦點之半焦深與該成像系統預設之取樣點長度進行比對,若該聚焦點之半焦深小於該預設之取樣點長度,以該預設之取樣點長度取代該聚焦點之半焦深的步驟。
- 如申請專利範圍第1項所述之非線性動態聚焦控制方法,其中,步驟(4)復包括:當該下一聚焦點之計算起始位置小於該最大長度,且該最大長度減去該下一聚焦點之計算起始位置小於下一聚焦點之半焦深時,將該下一聚焦點設於該最大長度上的步驟。
- 如申請專利範圍第1項所述之以非線性動態聚焦控制方法,復包括:(5)該陣列換能器係沿該掃瞄線接收至少一個取樣點,並以各該聚焦點為中心,向該最小長度的方向及該最大長度的方向分別延伸各該聚焦點所對應之半焦深,以形成至少一個加權區塊,給予包含在同一個該 加權區塊中之該取樣點相同之權值以進行波束合成。
- 一種非線性動態聚焦控制方法,係應用於具有陣列之成像系統中,包括:(1)選擇掃瞄線,其中,該掃瞄線具有最小長度與最大長度;(2)於該掃瞄線上設定轉折點,將該掃瞄線區分為n個掃瞄線段,其中,n不小於2,且該n個掃瞄線段沿該掃瞄線由該最小長度至該最大長度的方向依序排列,該n個掃瞄線段中之第一掃瞄線段以該最小長度作為初始位置,並以最接近該最小長度之轉折點作為結束位置,第n個掃瞄線段則以該最大長度作為結束位置,並以最接近該最大長度之轉折點作為初始位置,其餘掃瞄線段由最接近該最小長度之轉折點開始,分別以相鄰之二轉折點作為初始位置與結束位置,再於各該掃瞄線段上配置聚焦點;(3)計算各該掃瞄線段之該聚焦點的半焦深,並以各該掃瞄線段之該初始位置加上對應之各該掃瞄線段之聚焦點的半焦深作為各該掃瞄線段之該聚焦點位於各該掃瞄線段上之位置,其中,計算各該聚焦點位於各該掃瞄線段上之位置的方程式為為該聚焦點之半焦深、λ 為該成像系統所發出之超音波波長、A 為該成像系統所發出之超音波的孔徑、zF,i 為該聚焦點位於該掃瞄線上 之位置、z i 為該初始位置、△z i 為用於調整該聚焦點位於該掃瞄線上之位置的校正項、K 為用以調整該掃瞄線上之該些聚焦點的總數目之係數;(4)以各該聚焦點位於各該掃瞄線段上之位置向該最大長度的方向加上對應之各該聚焦點之半焦深作為各該掃瞄線段之下一聚焦點之計算起始位置;以及(5)分別判斷該各該掃瞄線段之下一聚焦點之計算起始位置是否大於各該掃瞄線段之結束位置,若否,則以該掃瞄線段之該下一聚焦點之計算起始位置取代該掃瞄線段之該初始位置,並重複步驟(3)至(4),若是,則結束該掃瞄線段之計算;其中,該掃瞄線上之該些聚焦點位置係依據點波源擴散函數之位移不變特性而呈非線性分佈,且該些掃瞄線段中之至少一者的△z i 係不同於其他各者。
- 如申請專利範圍第7項所述之非線性動態聚焦控制方法,其中,計算各該聚焦點位於各該掃瞄線段上之位置的方程式係調整△z i 使各該掃瞄線段上之該些焦點位置呈線性分佈、二次非線性分佈、三次非線性分佈或更高次非線性分佈。
- 如申請專利範圍第7項所述之非線性動態聚焦控制方法,其中,步驟(3)復包括:確認各該聚焦點位於各該掃瞄線段上之位置係大於該初始位置且小於該結束位置的步驟。
- 如申請專利範圍第7項所述之以非線性動態聚焦控制 方法,其中,步驟(3)復包括:將該聚焦點之半焦深與該成像系統預設之取樣點長度進行比對,若該聚焦點之半焦深小於該預設之取樣點長度,以該預設之取樣點長度取代該聚焦點之半焦深的步驟。
- 如申請專利範圍第7項所述之非線性動態聚焦控制方法,其中,步驟(5)復包括:當該第n個掃瞄線段的該下一聚焦點之計算起始位置小於該最大長度,且該最大長度減去該該第n個掃瞄線段的下一聚焦點之計算起始位置小於該第n個掃瞄線段的下一聚焦點之半焦深時,將該第n個掃瞄線段的該下一聚焦點設於該最大長度上的步驟。
- 如申請專利範圍第7項所述之非線性動態聚焦控制方法,其中,復包括:(6)該陣列換能器係沿該掃瞄線接收至少一個取樣點,並以各該聚焦點為中心,向該最小長度的方向及該最大長度的方向分別延伸各該聚焦點所對應之半焦深,以形成至少一個加權區塊,給予包含在同一該加權區塊中之該取樣點相同之權值。
- 如申請專利範圍第7項所述之非線性動態聚焦控制方法,其中,該轉折點係為近場區域與遠場區域之交界點或發射聚焦點。
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