一种多模态点扫描超分辨显微成像系统

技术领域

本发明涉及显微成像软件技术领域，具体为一种多模态点扫描超分辨显微成像系统。

背景技术

相比电子显微镜，荧光显微镜凭借其非接触无损伤以及观测样品特异性表达等特点使其成为多种科学研究领域重要的研究工具例如生物医学研究、材料科学研究等。随着科学技术的不断发展，人们对超高分辨率的显微图像的要求也越来越高。另外，人们在追求成像高分辨率的同时，对成像系统的智能化控制，实现对成像软件系统的参数设置灵活性、成像质量、系统稳定性等有着较高的要求。当前的显微成像系统的适用度要求很高，而且很难做到多种模式的集成，并难以实现实时分辨率提升的效果。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种多模态点扫描超分辨显微成像系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种多模态点扫描超分辨显微成像系统，该系统包括：界面显示控制模块、测量任务信息处理模块、采集控制模块、空间光调制器控制模块和扫描控制模块；

所述界面显示控制模块用于成像显示和测量参数配置；

所述测量任务信息处理模块用于处理任务参数更改，通过循环消息处理线程，支持在任务的同时改变任务参数；

所述采集控制模块用于解析测量任务信息处理模块输入的参数配置采集任务，对采集卡得到的探测器信号进行处理解析，并将采集任务记录；所述处理解析包括对多个探测器同步探测和块状的生成图像数据，直至每个探测器都生成一帧的图像，进行像素重组实现并行探测；

所述空间光调制器控制模块用于控制空间光调制器，通过采集控制模块提供的图像信息实现像差矫正；

所述扫描模控制模块用于解析测量任务信息处理模块输入的不同扫描任务的输出波形，去解析所需要的采集卡输出波形，通过启动采集卡任务，控制振镜的摆动完成扫描。

进一步地，所述测量任务信息处理模块中的消息处理线程具体为：当系统初始化时，此消息处理线程启动，并置于一个循环中，使消息处理过程持续与系统运行的整个过程；

首先判断消息列表是否为空，如消息列表为空，则将线程休眠，时间为预设的休眠时间，等待消息到来，并再次判断；若消息到来，则将消息列表中的所有消息按照事件排列去重，取临近时间点中最近的一次消息，避免因用户重复点击造成消息重复处理；将消息去重后，将得到的消息进行解析；

所述消息分别为测量参数改变消息、任务停止消息和任务重新启动消息。若判断为任务停止消息，则触发停止任务的程序；若判断信息为测量参数改变消息，则触发处理程序去处理此消息，进行任务信息的更改，并在处理完成后自动重新启动任务。

进一步地，所述采集控制模块包括采集任务调度器、采集模块设备控制器、采集任务管理器、采集任务上下文子模块以及采集任务参数解析子模块；

所述采集任务调度器用于对采集任务进行调度并利用采集任务上下文子模块和采集任务参数解析模块对任务进行参数解析；

所述采集模块设备控制器用于对采集卡的数据处理和解析，其中所述采集卡连接至探测器用于对信号进行采集；

所述采集任务管理器用于实现采集任务的开启和关闭，并添加和删除采集任务；

所述采集任务上下文子模块为一个负责收集前端输入任务信息的类，所述任务信息为采集所需参数；

所述采集任务参数解析子模块用于对采集任务上下文子模块中的任务信息进行解析并创建采集任务。

进一步地，所述并行探测具体包括：

从采集任务上下文子模块中的样本列表中取出一块图像的原始数据后，将其处理为成块的图像数据；判断成像的模式是否为FED，若为FED，则需判断此帧的图像是否为空心图像：由于FED模式是一帧实心图像和一帧空心图像，两帧刷新一次FED图像，判断为空心图像时，则和前一帧采集的实心图像相同序号的图像块一起做相减的FED运算，得到FED图像块；无论是否为FED模式，都会将图像结果保存在采集任务上下文子模块中的图像列表中，并更新数据进度信息；所述进度信息包括：样本的采集次数、样本的扫描步骤、样本所属的层数，样本的块序列；

所述并行探测处理和单探测器数据处理线程同步启动；在此线程中，会首先判断图像的进度信息，直至所有探测器同一帧的样本都生成到了本帧的最后一块图像；取出每个探测器的所有块图像，组成完整图像后，进行NCC算法，求出每个探测器的偏移量，并进行像素重组算法，得到一张分辨率和信噪比都有所提升的图像，储存到图像列表中，以供刷新到界面中。

进一步地，所述扫描控制模块包括扫描任务调度器、扫描设备管理器、扫描参数解析器和扫描任务上下文子模块；

所述扫描任务调度器用于对扫描任务进行调度并利用扫描任务上下文子模块和扫描参数解析器对任务进行参数解析；

所述扫描设备管理器用于读取扫描任务上下文子模块中的波形，将波形输入到对应设备的采集卡接口，实现对扫描设备控制；

所述扫描参数解析器用于对扫描任务上下文子模块中的任务进行解析并创建扫描波形输入到扫描任务上下文子模块；

所述扫描任务上下文子模块为一个负责收集前端输入任务信息的类，所述任务信息为扫描所需参数。

进一步地，所述扫描控制模块支持的扫描模式包括二维扫描和三维扫描，

所述二维扫描利用振镜的电压特点，即振镜的摆动角度和输入的电压成正比，实现对激光光束逐个像素的扫描；所述三维扫描首先将扫描的方向设置为XYZ，然后设置Z方向的扫描范围和像素大小，计算出扫描的层数，若Z方向的偏置设为零时，系统默认从当前物镜的位置为中心点，上下以设定的Z扫描范围为物镜镜架的移动范围，扫描设备管理器控制物镜，在每一层停留，直到扫描一帧后，再次移动一层，直到扫描完全部层数，完成三维扫描。

进一步地，所述空间光调制器控制模块用于对加载到SLM的图案的位置、内外条纹、泽尼克系数的调整，实现对光斑相位的调节；具体包括：

首先设置步长、循环的次数、调节的范围以及需要调节的泽尼克系数，从范围的最低点开始调用扫描控制模块和采集控制模块，每次扫描采集一帧的图像，并将对应系数增加一个步长的大小，使用采集模块设备控制器记录下这一帧下的图像平均强度大小，并传输到空间光调制器控制模块中，直到系数增加到范围的最高点；将平均强度作为纵轴，系数作为横轴绘出点图，并拟合出曲线来，曲线最高点对应的横轴值就是此系数的最佳值；设置后，再次循环求出下一个系数的最佳值；求出所有的最佳值后，将这些最佳值设置到空间光调制器控制模块中的泽尼克系数中，实现对像差的自动矫正。

进一步地，当探测器配置为TCSPC时，采集控制模块能够实现寿命成像模式，所述寿命成像模式是基于时间相关单光子计数器TCSPC与APD连接在一起实现的；TCSPC用于将每个光子的信息记录在二进制的数据中，并将其储存在内存中或者文件中；其中除了光子的信息外，另有将每个像素分隔开的分隔信号；在进行寿命的计算时，在采集设备控制模块中建立储存直方图数据的一维数组和储存原始寿命数据的数组；直方图数组的每个值都代表一个计数周期内记录到的光子数；

将TCSPC的数据解析成横坐标为光子到达时间，纵坐标为光子数的直方图数组数据，并判断是否有分隔信号，解析到分隔信号时，会将前一个像素得到的直方图数组数据进行寿命估计，得到寿命数据，并清空直方图数据，进行下一个像素点的直方图统计，直到完成全部像素点的寿命估计；所述寿命估计具体公式如下：

其中

进一步地，所述界面显示控制模块的成像显示与数据传递包括：

首先根据采集卡自带的函数包或TCSPC的数据结构编写的解析函数得到的每个通道的原始数据；将每块图像的像素数为目标数量，当采集到目标数量后，在采集设备管理模块触发样本处理的事件，将原始样本数据数组解析成一个带有特定属性的类；解析完成后，保存在一个由该类组成的列表中，当列表中存在可用于成像的数据时，处理数据的线程便将其取出，进行成像的图像处理；将建立好的图像存在图像列表中，以供界面显示控制模块的函数进行调用成像；列表中的原始据或图像数据被取出后自动移除。

进一步地，所述界面显示控制模块包括主界面、测量成像显示部分、测量参数实时显示部分、成像通道配置部分和测量模式选择部分：

所述主界面包括文件选项、窗口选项、设备选项、测量任务保存选项和测量任务启动选项；其中，窗口选项除了可以控制光学系统的配置外，也用于控制其他部分的显示与否；

所述测量成像显示部分用于显示成像的结果、通道的名称、成像的平均强度、强度的最大值和最小值、鼠标所在的坐标位置和此位置的强度值和对成像显示进行调节的选项；这些选项包括成像显示方向选项、单独通道显示和表格通道显示切换选项、成像通道合并显示选项、能够改善成像效果的图像处理选项、图像扫描范围和放大缩小选项；

所述测量参数实时显示部分包括扫描范围选择部分和扫描步骤选择部分；所述扫描范围选择部分包括X、Y、Z方向视场的选择、扫描方向的选择、像素数的选择、像素尺寸的选择、像素停留时间的设置、扫描行频率的设置和焦距的调节；所述扫描步骤选择部分包括激活的扫描步骤和各扫描步骤分布分配的激光波长选择；

所述成像通道配置部分可以设置对成像通道的增加和减少，包括对通道的名称设置、激光器的激活、激光器的功率设置、每个扫描通道配置的探测；当配置的探测器为并行探测模式的中心探测器时，更改为并行探测像素重组模式进行成像。

测量模式选择部分用于设置测量任务的成像模式，包括Confocal、FED、STED选项。

本发明的有益效果：

不仅可以用于常规的激光共聚焦显微镜系统，也可以用于支持并行探测的像素重组图像显微方法(Pixel reassignment in image scanning microscopy，PRISM)的超分辨共聚焦显微镜系统，并在这两种方法中分别支持多种超分辨成像模式，包括荧光辐射微分超分辨显微技术(Fluorescence emission difference microscopy，FED)和受激辐射损耗超分辨显微技术(stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy，STED)，也支持适用于荧光寿命成像的超分辨显微系统。为推动超分辨显微成像技术在相关领域的发展有实际的科研和应用价值。

基于现有技术中的系统的环境难以实现实时并行探测成像和实时FED成像，达到分辨提升的效果，并能实时监看，本系统着眼于常用的点扫描激光光聚焦显微镜系统(LSCM)、受激发射损耗显微镜(STED)系统、荧光辐射微分超分辨显微(FED)系统、荧光寿命成像系统(FLIM)等综合系统的软件编写，利用其独特的模块化特点，包括扫描控制模块、采集控制模块、测量任务信息处理模块、空间光调制器控制模块和界面显示控制模块，将不同模式的成像模式和系统功能整合在同一软件中，做到实时成像，适用不同的科研需求，操作方式人性化，功能强大，便于后期开发维护，非常适合科研和实际的应用。

附图说明

图1为本发明并行探测模式流程图；

图2为本发明采集任务流程图；

图3为本发明寿命成像模式流程图；

图4为本发明振镜扫描原理图；

图5为本发明二维扫描实例效果图；

图6为本发明扫描任务流程图；

图7为本发明FED模式实例效果图；

图8为本发明消息处理模块流程图；

图9为本发明三维扫描正交显示实例图；

图10为成像数据传递流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明技术方案，并不限于本发明。

本实施例提供了一种多模态点扫描超分辨显微成像系统，包括：扫描控制模块、采集控制模块、测量任务信息处理模块、空间光调制器控制模块和界面显示控制模块。

所述系统是基于VS2019编译环境利用C#语言，采用前后端分离的开发模式进行开发的，即提供分散的模块和接口，在前端进行调用即可。采用多线程的消息处理和开发方式，将采集、扫描、显示同步进行，并能在不停止测量任务的前提下对测量参数进行修改，并加以控制。

所述软件的采集控制模块包括采集任务调度器、采集模块设备控制器、采集任务管理器、采集任务上下文子模块以及采集任务参数解析子模块。所述软件的采集任务启动时，会根据界面显示控制模块输入的各种参数，配置好采集任务，并将采集任务记录，随后根据解析好的采集参数启动配置好的任务。

所述采集任务调度器用于对采集任务进行调度并利用采集任务上下文子模块和采集任务参数解析模块对任务进行参数解析；

所述采集模块设备控制器用于对采集卡的数据处理和解析，其中所述采集卡连接至探测器用于对信号进行采集；

所述采集任务管理器用于实现采集任务的开启和关闭，并添加和删除采集任务；

所述采集任务上下文子模块为一个负责收集前端输入任务信息的类，所述任务信息为采集所需参数，包括采集的模式、采集的进度信息、采集的属性和采集的图像处理相关配置参数。

所述采集任务参数解析子模块用于对采集任务上下文子模块中的任务信息进行解析并创建采集任务；

所述采集模块设备控制器中采集卡的数据包括不同探测器的光强数据，所述探测器包括雪崩二极管光电探测器(Avalanche Photodiode Detectors，APD)、光电倍增管(Photomultiplier tube，PMT)以及时间相关单光子计数器(TCSPC)，并支持添加多个相同类别的探测器组成并行探测的像素重组成像方法，可提升一定的信噪比和分辨率。

本实施例的APD、PMT采集模式是基于NI采集卡进行采集的，以APD为例，将多通道的APD探测器分别连接到采集卡的不同计数器输入通道上，通过计数器输入的任务即可读取到当前像素点的脉冲数，即光子数，其样本像素点的分割是以读取输出的点同步信号为参考的。并存储到样本队列中以供下一步将样本处理为对应的图像。

所述采集模块设备控制器中对采集卡的数据处理还包括TCSPC的寿命采集；

所述采集模块设备控制器对TCSPC得到的光子数据进行解析成光强数据和每个光子的相对到达时间，并通过快速寿命算法和基于最小二乘法的寿命拟合算法，实现实时成像。其快速寿命算法遵循如下公式，其中

除了测量任务信息处理模块，软件系统的多线程编程主要体现在对于采集模块设备控制器上。在采集任务启动时，通过解析采集任务上下文子模块中的采集参数，得到所需采集卡的计数器通道或TCSPC通道的数量，然后创建样本处理的线程。多样本处理线程会让样本的处理更快，经过编程人员的测试，除并行探测单独的样本处理线程之外，当线程的数量为(计数器通道+3)/4并取整时，可以保证样本处理的速度达到实时成像的要求，并且不会因为线程过多造成资源的浪费。本实施例的一大特点，是可以将多种成像模态与并行探测像素重组算法结合。在进行并行探测成像时，刷新方式和单探测器成像不同，是逐帧刷新的。这是由于实现像素重组算法时，每个探测器图像的位移量是根据归一化互相关算法(NCC)得出的。

系统的单探测器样本采集是分块进行采集的。以扫描范围设置的像素数为500*500为例，则系统以50行为一个块，则每一块为500*50，即25000个像素点。软件通过底层代码控制采集卡或TCSPC，每收集到25000个像素点的样本，便会将储存样本的一维数组按顺序重组为500*50大小的图像。

系统的并行探测处理线程和单探测器的样本处理线程是同步启动的。并行探测处理线程会循环判断图像样本的采集进度，当判断到每个用于并行探测的单探测器图像都生成满了一帧时，便会启动处理，生成一帧经过像素重组算法后的图像，将其放在对应的图像队列中以供界面显示控制模块读取，并显示在测量成像显示部分中。

如图1所示为并行探测模式流程图。软件从样本列表中取出一块图像的原始数据后，将其处理为成块的图像数据。此时，线程会判断成像的模式是否为FED，若为FED，则需判断此帧的图像是否为空心图像：由于FED模式是一帧实心图像和一帧空心图像，两帧刷新一次FED图像，判断为空心图像时，则和前一帧采集的实心图像相同序号的图像块一起做相减的FED运算，得到FED图像块。无论是否为FED模式，都会将图像结果保存在采集任务上下文子模块中的图像列表中，并更新数据进度信息。这些进度信息包括：样本的采集次数、样本的扫描步骤、样本所属的层数(帧序列)，样本的块序列。并行探测处理是和单探测器数据处理线程同步启动的。在此线程中，会首先判断图像的进度信息，判断每个探测器在同一帧中的所有图像块是否可以组成一帧图像，即判断是否所有探测器同一帧的样本都生成到了本帧的最后一块图像。若是的话，则取出每个探测器的所有块图像，组成完整图像后，进行NCC算法，求出每个探测器的偏移量，并进行像素重组算法，得到一张分辨率和信噪比都有所提升的图像，储存到图像列表中，以供刷新到界面中。

如图2所示的是本实施例的采集任务启动流程图，当我们在启动采集任务时，系统的测量任务信息处理模块首先做出反应，启动采集任务启动程序，首先，将根据配置在界面显示控制模块中扫描通道的探测器参数，激活测量任务，并根据这些探测器创建对应的采集任务。探测器类型若为APD或PMT，则其任务主体为对采集卡的计数器任务的配置；探测器类型若为TCSPC，则任务主体为对TCSPC硬件的任务控制和对采集到的样本数据的解析。完成任务的配置后，为了保证实时性，即一旦有样本到来立刻开始对样本处理，本实施例在任务启动前，通过采集设备管理器为任务分配处理其采集样本的线程，并循环判断是否有样本数据传入到队列中，若有样本传入队列中，则启动样本处理程序，生成图像的原始数据。采集任务的运行流程是通过采集任务上下文子模块的传递，实现用户输入的参数与底层进行各种交互、计算和解析的。采集任务上下文子模块中包含一个类，其中含有所需的测量参数(如采集数据、当前的测量任务、采集的进度信息、采集的图像处理相关配置、并行探测中间参数等)，当用户启动测量任务时，软件会根据所选的测量参数创建采集上下文，并作为输入参数，供底层的方法进行计算和解析。

当探测器配置为TCSPC时，采集控制模块能够实现寿命成像模式，如图3为本实施例寿命成像模式流程图。本实施例的寿命成像模式和其他模式不同，寿命成像模式是基于时间相关单光子计数器(TCSPC)与APD连接在一起实现的。和采集卡不同，TCSPC不基仅可以记录每个像素间隔内的光子数，也可以记录每个光子到达的相对时间。本实施例于的TCSPC会将每个光子的信息记录在二进制的数据中，并将其储存在内存中或者文件中。其中除了光子的信息外，另有将每个像素分隔开的分隔信号。本实施例在进行寿命的计算时，会先在采集设备控制模块中建立储存直方图数据的一维数组和储存原始寿命数据的数组。直方图数组的每个值都代表一个计数周期内记录到的光子数。当本实施例的寿命解析程序会将TCSPC的数据解析成横坐标为光子到达时间，纵坐标为光子数的直方图数组数据，并判断是否有分隔信号，解析到分隔信号时，会将前一个像素得到的直方图数组数据进行寿命计算，得到寿命数据，并清空直方图数据，进行下一个像素点的直方图统计，直到完成全部像素点的计算。本实施例采用的寿命估计算法是一种计算速度很快的平均算法，参照如下公式：

其中

所述系统的扫描控制模块包括扫描任务调度器、扫描设备管理器、扫描参数解析器和扫描任务上下文子模块。其中底层与前端的交互是通过改变扫描上下文中的参数实现的，底层的任务通过解析扫描上下文，解析出参数，并启动扫描任务。扫描任务的实现是通过解析不同任务的扫描输出的波形，去解析所需要的采集卡输出波形，通过启动采集卡任务，控制振镜的摆动完成扫描。

所述扫描任务调度器用于对扫描任务进行调度并利用扫描任务上下文子模块和扫描参数解析器对任务进行参数解析；

所述扫描设备管理器用于读取扫描任务上下文子模块中的波形，将波形输入到对应设备的采集卡接口，实现对扫描设备控制；

所述扫描参数解析器用于对扫描任务上下文子模块中的任务进行解析并创建扫描波形输入到扫描任务上下文子模块；

所述扫描任务上下文子模块为一个负责收集前端输入任务信息的类，所述任务信息为扫描所需参数，包括扫描模式、像素时间、像素尺寸、振镜的偏执电压和扫描范围。

所述扫描任务支持二维扫描和三维扫描，即XY和XYZ模式，二维扫描是通过控制振镜的摆动实现的，三维扫描是通过控制显微镜物镜镜架的升降来控制Z轴的位置来实现多层扫描。

所述系统在XY方向扫描移动时，利用振镜的电压特点，即振镜的摆动角度和输入的电压成正比，实现对激光光束逐个像素的扫描。如图4所示，振镜在启动时会有加速阶段，匀速阶段和振镜折返缓冲区。软件实现行扫描是通过采集卡向X方向的振镜发出如图所示的电压实现的。当所示的电压处于成像区域时，扫描参数解析器会根据振镜偏转的角度和对应在物面上的位置计算出每个位置对应的电压，每个电压振镜会摆动到特定的位置，将光束偏转到特定的位置。每当X方向振镜扫描到振镜折返缓冲区时，通过对采集卡的控制，给Y方向的振镜更改电压的输入值，使Y方向偏转到下一行的位置上。通过以上的原理，扫描参数解析器根据扫描参数的不同(视场、XY方向像素数、像素尺寸、像素停留时间)，解析出要配置给X、Y方向的振镜的采集卡任务的波形，这些波形是一维数组，配置好任务后，启动采集卡任务即可控制振镜实现整个目标视场的扫描。如图5所示，是本系统记录的二维扫描实例效果图。本实施例的扫描像素数最小支持64*64，最大支持4096*4096。像素停留时间默认为1us～1000us，扫描范围最大为120um*120um，像素的尺寸最大为200nm*200nm。

所述软件在XYZ方向扫描时，采用对显微镜架的控制，可以在不同的Z轴位置进行多层的XY方向扫描，构成三维图像。要执行三维扫描时，要通过界面显示控制模块设置扫描参数，首先将扫描的方向设置为XYZ，然后设置Z方向的扫描范围和像素大小，则软件会计算出扫描的层数，若Z方向的偏置设为零时，系统默认从当前物镜的位置为中心点，上下以设定的Z扫描范围为物镜镜架的移动范围，扫描设备管理器控制物镜，在每一层停留，直到扫描一帧后，再次移动一层，直到扫描完全部层数。软件在三维成像时，其成像窗口下方提供可抽拉的进度条，用户可以通过抽拉进度条查看每一层的扫描结果。

如图6所示是本实施例的扫描任务启动流程图，当用户启动了测量任务时，经过任务信息处理模块，会启动采集任务和扫描任务。软件先启动采集任务，根据上文采集任务的启动流程的解释，启动采集任务后会启动样本处理的线程，循环判断是否有样本出现。随后启动扫描任务，这样可以避免有在扫描启动时，还没有采集任务启动，造成像素样本丢失的问题。扫描任务的运行流程是通过扫描任务上下文子模块的传递，实现用户输入的参数与底层进行各种交互、计算和解析的。扫描任务上下文子模块包含一个类，其中含有所需的测量参数如成像模式、扫描模式、扫描方向、像素时间、XYZ分别的扫描范围、像素数、像素尺寸和起始位置和一些需要交互的扫描任务参数等)，当用户启动测量任务时，系统根据所选的测量参数创建扫描上下文，并作为输入参数，供底层的方法进行计算和解析。

启动扫描任务时，软件会先解析扫描任务上下文子模块，判断扫描的模式。扫描的模式包括二维扫描和三维扫描模式。判断好扫描的模式后，程序会启动对应模式的扫描任务调度器。此方法是利用C#语言的特点实现的，首先编写一个调度器抽象类，随后根据不同的扫描模式去因此把调度模块根据不同情况分别写对应的实现类，来实现对应的底层。进入对应模式的扫描任务调度器后，首先会关闭所有的激光器(通过控制AOTF实现，将光功率设置为零)，随后通过控制采集卡输入电压，使所有振镜复位到中心位置。完成后，扫描任务调度器会通过解析扫描任务上下文模块来配置计算需要输出给采集卡的电压波形。在配置扫描波形时，系统根据不同的扫描模式去计算波形。这些波形包括激光器的输出波形、振镜的扫描波形和输出的同步信号波形。这些波形会被记录在扫描上下文中。完成对波形的解析后，将根据扫描的区域建立扫描任务。这些扫描任务是以行扫描任务为单位的，每个帧扫描任务会包含许多块扫描任务，每个块扫描任务会包含很多行扫描任务。随后，本实施例会将上文解析出的波形配置给每个块扫描任务中的行扫描任务，最后启动所有采集卡的任务来实现对于扫描的控制。

本实施例的图像显示界面功能丰富，支持伽马调节和亮度对比度调节，并可以加入丰富的伪彩色种类。

本实施例可以设置图像像素的最大值，以降低或提升整体图像的灰度值，使图像显示效果更加灵活。

空间光调制器控制模块用于支持对于加载到SLM的图案的位置、内外条纹、泽尼克系数的调整，实现对光斑相位的调节。能够和采集控制模块中的采集模块设备控制器进行交互实现像差矫正的功能。

本实施例通过对SLM的控制，可以实现对与像差的矫正。其具体实现方法是通过空间光调制器控制模块对泽尼克系数的调节使用“爬山法”实现的。当像差最小时，通常图像的平均光强最大。具体来说，首先要设置步长、循环的次数、调节的范围以及需要调节的泽尼克系数，从范围的最低点开始调用扫描控制模块和采集控制模块，每次扫描采集一帧的图像，并将对应系数增加一个步长的大小，使用采集模块设备控制器记录下这一帧下的图像平均强度大小，并将该数据传输到空间光调制器控制模块中，直到系数增加到范围的最高点。将平均强度作为纵轴，系数作为横轴绘出点图，并拟合出曲线来，曲线最高点对应的横轴值就是此系数的最佳值。设置后，再次循环求出下一个系数的最佳值。求出所有的最佳值后，将这些最佳值设置到空间光调制器控制模块中的泽尼克系数中，实现对像差的自动矫正。

如图7所示，通过对电光调制器(EOM)和SLM的控制，对空心光斑和实现光斑完成快速切换，可以实现FED模式成像，其实现此模式的方法为：扫描一帧实心光斑所成的像后，下一帧切换空心光斑，扫描一帧空心光斑所成的像，随后发出信息，软件的FED模式处理线程检测到信息后，生成加入FED系数的相减图像，可以显著提升分辨率。FED成像的算法公示如下式：

IFED＝I一r·I

式中，Ic为实心光斑的图像，In为空心光斑的图像，r为FED系数，IFED为FED图像，通过此方法可以缩小系统的等效PSF，达到突破衍射极限的效果。

本实施例实现空心光斑和实心光斑的切换是通过电光调制器(EOM)实现的。由于液晶空间光调制器(SLM)只能对一种线偏振光进行调制，调整光路，使当发出P光时，SLM可以将左边的图案调制到光斑上，当发出S光时，可以将右边的图案调制到光斑上。EOM本身有偏置电压，将激光调制为P光，当对EOM加入特定大小电压时，便可将P光变为S光。所用的SLM当左边加入空心图案，右边加入实心图案时，对EOM加入和此特定电压大小的50％占空比方波，便可实现对实心光斑和空心光斑的切换。此方波的上升沿和下降沿与成像的帧同步信号同步，即可实现对每一帧的实心光斑和下一帧的空心光斑的同步控制。当软件检测到一帧的空心斑已经扫描完后，便会实施上文提到的FED算法，得到突破衍射极限的FED成像效果。

如图7所示，界面显示控制模块会同步显示每个通道的实心光斑图像、空心光斑图像和FED图像，以及它们通过并行探测像素重组后的图像，以方便对比。

所述测量任务信息处理模块采用先进的消息处理模式，支持在扫描成像任务的同时改变任务的参数，如激光器强度、图像参数、视场参数、成像模式等等。

本实施例的一大特点，是可以在任务进行的同时进行任务参数的更改，无需暂停测量任务。这是由于本实施例有着特殊的消息处理机制。

如图8所示，是本实施例的消息处理模块流程图。如图所示，当软件初始化时，此消息处理线程会启动，并置于一个循环中，使消息处理过程持续与软件运行的整个过程。本线程会首先判断消息列表是否为空，如消息列表为空，则将线程休眠一段时间(设为200毫秒)，等待消息到来，并再次判断。若消息到来，则将消息列表中的所有消息按照事件排列去重，取十分临近的时间点中最近的一次消息，避免因用户重复点击造成消息重复处理。将消息去重后，我们将得到的消息进行解析。所述消息分别为测量参数改变消息、任务停止消息和任务重新启动消息。若判断为任务停止消息，则触发停止任务的程序；若判断信息为测量参数改变消息，则分别触发扫描管理器、采集管理器和伺服管理器中的消息处理程序去处理此信息，进行任务信息的更改，并在处理完成后自动重新启动任务。

所述界面显示控制模块包括主界面、测量成像显示部分、测量参数实时显示部分分为成像通道配置部分和测量模式选择部分：

1)主界面包括文件选项、窗口选项、设备选项、测量任务保存选项和测量任务启动选项。其中，窗口选项除了可以控制光学系统的配置外，也可以控制其他部分的显示与否。本实施例在光学系统配置时提供多样的配置选项，包括针对激光器光源的配置、振镜的配置、显微镜架的配置、探测器的配置、位移台的配置、SLM的配置、物镜的配置等等。

2)测量成像显示部分可以显示成像的结果、通道的名称、成像的平均强度、强度的最大值和最小值、鼠标所在的坐标位置和此位置的强度值和一些可以对成像显示进行调节的选项。这些选项包括成像显示方向(XY、XZ、YZ)选项、单独通道显示和表格通道显示切换选项、成像通道合并显示选项、可以改善成像效果的图像处理(亮度对比度、像素最大子、伽马值、伪彩色)选项、图像扫描范围和放大缩小选项。

3)测量参数实时显示部分包括扫描范围选择部分和扫描步骤选择部分。前者包括X、Y、Z方向视场的选择、扫描方向的选择(二维，三维)、像素数的选择、像素尺寸的选择、像素停留时间的设置、扫描行频率的设置和焦距的调节；后者包括激活的扫描步骤和各各扫描步骤分布分配的激光波长选择。本实施例最多支持八个扫描步骤。

4)成像通道配置部分可以设置对成像通道的增加和减少，包括对通道的名称设置、激光器的激活、激光器的功率设置、每个扫描通道配置的探测器等。当配置的探测器为并行探测模式的中心探测器时，将自动更改为并行探测像素重组模式进行成像。

5)测量模式选择部分可以设置测量任务的成像模式，包括Confocal、FED、STED选项。选择不同的选项即可选择不同成像模式。可以设置Fed系数和STED的延迟时间。Fed系数系统默认为0.7，可以根据需要调节。

本实施例支持将当前的测量任务保存在文件中，可以选择保存完整的测量任务，除了光学系统配置外，还包括SLM的参数、扫描的参数、图像显示的参数、通道选择的参数、激光器的参数，并可以在下次启动软件时读取所需要的测量任务。

本实施例支持将测量任务保存在界面显示控制模块中的测量任务列表中，根据需要激活不同的任务。

本实施例支持将光学系统的参数配置、扫描的参数配置保存在界面显示控制模块中配置文件中，软件启动时会自动读取上次读取的配置文件。本实施例在光学系统配置时提供多样的配置选项，包括针对激光器光源的配置、振镜的配置、显微镜架的配置、探测器的配置、位移台的配置、SLM的配置、物镜的配置。

本实施例通过对声光可调谐滤波器(AOTF)控制白光激光器实现对发出的激光波长和强度的控制。本实施例可以在光学系统配置界面中设置其控制端口和控制每个波长的激光需要输入的RF驱动电信号的频率，并可以配置控制AOTF的采集卡控制端口。在启动对应波长的激光时，会针对选择的波长为对应接口加入所配置的RF电信号频率，以实现输出不同波长的光。

本实施例在三维扫描时，支持正交显示，即可以在显示XY方向的视图的同时，根据光标的位置显示其对应的XZ、YZ的视图。若要查看Z方向的图像，则需要选择“正交显示模式”，此模式包含三个成像窗口，主窗口是XY方向的成像结果，右侧的窗口和下方的窗口分别为XZ方向、YZ方向的图像。软件通过检测鼠标在XY方向的图像上所在的位置，显示出此位置的XZ、YZ方向图像。如图9所示为本实施例的三维扫描正交显示实例图。

所述软件系统的界面显示内容包括主界面、测量成像显示部分、测量参数实时显示部分分为成像通道配置部分和测量模式选择部分：

本实施例的成像显示部分在单探测显示时，是采用逐块刷新的方法的。每一个图像块是由连续几行构成的，软件根据扫描范围选择设置，得到每一图像块的大小前端将这个块的图像刷新在成像显示界面的指定位置即可。在FED模式窗口显示中，实心光斑图像、空心光斑图像和FED图像都是逐块刷新的，先生成实心光斑的图像，随后生成空心光斑的图像，系统在生成每块的空心光斑图像时，会将其与前一帧对应块的实心光斑图像做FED运算，并将其生成在FED显示窗口中。

本实施例的成像显示部分在并行探测窗口显示时，是采用逐帧刷新的方法的。在并行探测窗口显示中，当系统检测到已经所有单探测器的图像都已经刷新完成一帧后，将启动并行探测样本处理程序，得到的一帧图像将刷新在并行探测成像窗口中。

本实施例的FED模式也支持和并行探测模式结合在一起，即可以实现并行探测算法后得到的实心光斑和空心光斑再次进行FED算法得到图像，这些都是单帧刷新的。

本实施例支持将单个图像储存为图片，支持不同格式的图像储存，包括的格式有jpg、tiff和png。

如图10所示的是本实施例的成像数据传递流程图。本实施例的成像数据传递方法充分应用了C#语言的事件、委托的优点。首先根据采集卡自带的函数包或TCSPC的数据结构编写的解析函数得到的每个通道的原始数据。为了确保逐块刷新的一致性，本实施例将每块图像的像素数为目标数量，当采集到目标数量后，会在采集设备管理模块触发样本处理的事件，最原始的样本数据数组会被解析成一个带有特定属性的类，这些属性代表很多此数据的信息，包括采集的进度信息，所述的探测器名称等等。解析完成后，将和它存在一个由这个类组成的列表中，当列表中存在用于成像的数据时，处理数据的线程便将其取出，进行成像的图像处理，如开辟图像空间，将原始数据按行列重新排列，将其为图像赋值，并加入不同的伪彩色算法等等。将建立好的图像存在图像列表中，以供界面显示控制模块的函数进行调用成像。列表中的原始数据或图像数据被取出后，会被自动移除掉。

基于本实施例提供的系统，成像实现方法包括：在界面显示控制模块设置好扫描范围、成像通道、扫描步骤配置后，通过测量任务信息处理模块对任务进行创建或更改，将任务信息传输到扫描控制模块和采集控制模块，通过扫描控制模块控制探测器进行扫描，然后通过采集控制模块采集探测器得到的信息，将采集到的数据在采集控制模块中的采集模块设备控制器进行处理和解析后，组成图像显示在界面显示控制模块的测量成像显示部分。

上述实施例用来解释说明本实施例，而不是对本实施例进行限制，在本实施例的精神和权利要求的保护范围内，对本实施例作出的任何修改和改变，都落入本实施例的保护范围。