本發明涉及高速掃描顯微成像，尤其涉及一種基于位置反饋的精準視場無畸變掃描高分辨顯微成像方法與裝置。
背景技術：
1、超高分辨顯微成像技術在生物醫學、材料科學和半導體等領域應用廣泛，隨著相關領域的不斷發展，超高分辨顯微成像技術的相關研究也在不斷推進。
2、超高分辨顯微成像技術大體上可分為兩種：點掃描和寬場成像。其中點掃描成像技術是指控制光束在樣品面上掃描，采集攜帶著樣品信息的反射光或散射光信號，對每一個像素點進行重構恢復出樣品圖像這一類成像方法，具有代表性的技術包括激光共聚焦和受激發射損耗成像技術等。在點掃描成像技術中，存在著由于掃描系統非線性運動與順序采集模塊的不匹配，樣品利用率下降、成像結果存在畸變的普遍問題。
3、本發明提出的方法及裝置將從硬件上實現掃描視場的精準控制，解決上述提到的樣品利用率下降問題，并通過提取掃描位置反饋信號，構建起目標視場與掃描參數之間的關系，實現快速準確的無畸變成像。這將為點掃描這一類的成像技術提供一種新的思路，開辟除了添加額外定位裝置、輸入修正的復雜電壓波形以及通過后期算法矯正的無畸變成像方法道路，推進超高分辨成像技術的進一步發展，進而推動相關應用領域的快速發展。
技術實現思路
1、本發明的目的在于提供一種基于位置反饋的精準視場無畸變掃描高分辨顯微成像方法與裝置。針對點掃描式的超分辨成像技術中常見的視場隨機，進而樣品在光束掃描下被任意曝光導致的利用率下降問題，提出了在硬件層面上使用tip-tilt偏擺鏡替換常見的振鏡掃描系統，利用偏擺鏡的位置反饋信號實現視場的精確控制，實現樣品利用率的提升；針對點掃描式的超分辨成像技術中常見的成像視場畸變問題，提出了一種基于掃描行程線性段占比的成像畸變矯正方法，通過對不同電壓幅值不同掃描頻率下tip-tilt偏擺鏡的位置反饋信號進行數據處理，提取出偏擺鏡掃描行程中可認為是在無畸變掃描成像的線性段占比，在此基礎上對tip-tilt偏擺鏡線性段占比這一變量進行推導，提出了一種新的更加精確的擬合關系式，通過給偏擺鏡加以能使目標視場處于掃描行程中的線性段的正確電壓幅值，實現無畸變的目標視場掃描。
2、本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
3、根據本說明書的第一方面，提供一種基于位置反饋的精準視場無畸變掃描高分辨顯微成像方法，該方法包括：
4、在共聚焦顯微成像光路中，采用具有位置反饋功能的壓電偏擺鏡系統作為掃描模塊，并在光源處添加通過脈寬調制實現開關光功能的電光調制器件；
5、進行快軸掃描位置反饋信息獲取，根據掃描模塊最大視場對應可加載最大幅值進行逐幅值逐頻率的電壓波形加載，記錄每次輸入電壓波形與實際位置反饋信息，獲取不同電壓幅值不同掃描頻率下的線性段占比；
6、對線性段占比數據進行擬合，擬合每一輸入電壓波形實際位置反饋信息的幅頻響應，獲取各幅值下的阻尼因子并擬合獲取非線性下的阻尼因子隨幅值變化的關系式，得到準確的幅頻響應關系式，進而得到準確的線性段占比關系式；
7、進行掃描參數與線性段占比的關聯，驗證線性段占比關系式是否能夠獲取精準的目標視場，驗證通過后獲取準確的掃描波形；
8、實時采集掃描模塊的位置反饋信息，判斷掃描位置是否在目標視場內，得到電光調制器件的開關光時序信號并輸出給電光調制器件，實現精準視場成像。
9、進一步地，基于掃描行程線性段占比實現成像畸變矯正，所述掃描行程中的線性段指行程的曲線斜率與目標最大斜率誤差在設定的可調節誤差δ以內的掃描范圍，所述線性段占比為線性段大小與輸入電壓最大幅值對應的視場之間的比值，所述線性段占比的計算具體為：確定可調節誤差δ，對輸入電壓波形和實際位置波形取一階導數，計算得到線性段閾值，實際位置波形在該閾值之上的范圍即線性段行程，進而獲取線性段占比。
10、進一步地，設定可調節誤差δ＝25％，輸入電壓波形采用正弦波形，由于輸入波形具有周期性和往返相同的性質，只需提取其中1/4周期范圍的數據用于計算線性段占比。
11、進一步地，所述對線性段占比數據進行擬合，具體為：對位置反饋信號進行二階振蕩環節幅頻響應擬合，獲取自然頻率和阻尼因子隨不同幅值變化曲線；阻尼因子與幅值成負相關，對阻尼因子進行非線性擬合得到阻尼因子隨幅值變化的關系式，用該關系式替代原幅頻響應關系式中的阻尼比，得到準確的幅頻響應關系式，進而得到準確的線性段占比。
12、進一步地，采用迭代試數法在線性段占比基礎上獲取準確的掃描波形，具體為：根據用戶輸入參數確定行頻率和目標視場大小，將初始幅值設置為掃描模塊最大可加載幅值，進行預處理，計算得到線性段占比和實際視場大小，比較目標視場大小與實際視場大小的差是否在可設定調整的閾值m內，如果滿足，則視為當前幅值和線性段占比符合要求輸出為結果，否則將當前幅值向下減去可設定調整的參數n，將新的幅值代入上述過程中再次比較是否與目標視場大小相近，當幅值削減到0時說明當前系統不能滿足目標視場大小。
13、進一步地，通過給偏擺鏡加以能使目標視場處于掃描行程中的線性段的正確電壓幅值，實現無畸變的目標視場掃描。
14、進一步地，當通過實時采集的位置反饋信息判斷掃描位置進入目標視場時，打開控制光源開關的電光調制器件，當判斷掃描位置離開目標視場時，關閉電光調制器件，實現樣品非視場范圍無多余曝光，提升樣品利用率。
15、根據本說明書的第二方面，提供一種基于位置反饋的精準視場無畸變掃描高分辨顯微成像裝置，該裝置包括光源、電光調制器件、掃描模塊、采集卡和電腦；所述電光調制器件通過脈寬調制實現開關光功能；所述掃描模塊采用具有位置反饋功能的壓電偏擺鏡系統；所述掃描模塊的位置反饋信號輸出端口連接采集卡和電光調制器件的輸入端口，實現位置反饋信息的獲取和對電光調制器件的開關光控制；所述采集卡連接電腦，實現快軸掃描位置反饋信息獲取、處理獲取不同電壓幅值不同掃描頻率下的線性段占比、線性段占比數據擬合、準確掃描波形獲取，并在實時采集位置反饋信息時，控制電光調制器件實現精準視場成像。
16、進一步地，所述壓電偏擺鏡系統采用tip-tilt壓電偏擺鏡系統，能夠在1khz范圍內以高諧振頻率快速穩定運行，且具備位置傳感器能夠反饋掃描位置信息。
17、進一步地，所述電光調制器件通過加載電壓的不同，實現入射光偏振方向的改變，配合在電光調制器件前后放置的取向垂直的起偏器和檢偏器，當加載電壓在半波電壓時完全實現光的開關。
18、與現有技術相比，本發明具有以下的優勢和創新點：
19、1.本發明基于位置反饋信號利用電光調制器件控制光源當掃描模塊掃描位置處于目標視場時才會打開，其他位置時關閉，這樣不僅實現視場的精準控制，而且能夠在硬件層面上對光敏性樣品進行保護，減少樣品非成像區域不必要的曝光次數，實現樣品利用率的提升。
20、2.本發明提出了一種基于位置反饋的成像畸變矯正方法。通過對不同電壓幅值不同掃描頻率下掃描模塊的位置反饋信號進行數據處理，提取出掃描行程中可認為是在無畸變掃描成像的線性段占比，在此基礎上對線性段占比進行推導，結合實際物理意義，考慮非線性運動各因素，提出了一種新的更加精確的擬合關系式，通過給掃描模塊加以能使目標視場處于掃描行程中的線性段的正確電壓幅值，實現無畸變的目標視場掃描。
21、3.本發明提出了一種適合于點掃式超高分辨顯微成像裝置的實際掃描波形的算法流程。用戶使用常見易理解的參數進行操作，根據提出的掃描參數對應關系，獲取行頻率和偏置量，使用本發明提出的迭代試數法在線性段占比基礎上獲取精確的幅值，實現精確掃描波形的獲取。
22、4.相比其他掃描視場畸變矯正方法，本發明提出的方法與裝置只需在硬件層面上進行更改，且可更改選擇較多，僅要求掃描模塊具備位置反饋功能和高脈寬調節的開關光器件，算法流程可行性高且處理速度與精度可調，只需前期線性段占比提取工作，之后的掃描波形計算、采集成像等工作均可交由處理器執行，因而本發明方案可推及到任意點掃超高分辨顯微成像系統，具備應用范圍廣泛，系統整體上變動小，保護樣品、提升樣品利用率，精度速度可根據系統要求進行自由調節等優勢。