本技术涉及光学显微成像，具体而言，本技术涉及一种成像装置、成像方法、电子设备及计算机可读存储介质。
背景技术：
1、多光子荧光显微镜作为生命科学领域的一个重要成像方法，由于具有独特的照明与探测方式，而逐渐受到广泛的关注。多光子荧光显微镜通过荧光团的多光子非线性吸收效应实现荧光基团的激活，从而实现被标记物质的特异性标记。由于多光子非线性吸收效应，只有在焦点处才能形成荧光基团的激活，因此多光子荧光显微镜具有良好的光学切层效果(第一点)，多光子荧光显微镜工作波长接近荧光基团单光子激发波长的整数倍，其常见波长包括780nm、920nm和1030nm，在此波段下，生物组织等样本对样本的吸收散射最少，可以保证探测光的良好穿透，可以有效探测厚样本(第二点)；同时，能够激发非线性吸收的激光器通常是飞秒或皮秒脉冲激光器，峰值能量高，平均功率低，对样本的热损伤较小(第三点)。以上三点(即上述第一点、第二点和第三点)构成了多光子荧光显微镜较共聚焦显微镜的主要优势。但是生物信息通常发生在三维空间内，因此实现生物样本的快速体成像对揭示动态信号的发生过程具有重要意义。
2、为提升体成像速度，很多工作已经从光学设计和算法等方面做了诸多尝试。直观地，将一束光分成多束同时成像，可以直接将成像速度提升数倍，且正比于光束数量。在实现中需要使用二维探测传感器，如scmos(scientific complementary metal-oxide-semiconductor，科学互补金属氧化物半导体)或者emccd(electron-multiplying chargecoupled device，电子倍增ccd)相机，进行荧光信号的收集。同时需要考虑在不同轴向位置的多点信号的视场(field of view，简称fov)的布局以及在不同探测位置时相差的矫正。与此对应，时空复用解决了探测器件的痛点，可以在传统点扫荧光显微镜的基础上直接实现。通过将一束脉冲激光通过多个分光装置或倾斜摆放的反射镜进一步复制出多个脉冲，每个脉冲信号交替出现在不同的空间位置，通过对信号收集和区分之后即可得到不同空间位置的荧光信息。该种方式光路设计通常比较复杂，并且受到激光器重复频率的限制。受传统体成像的启发，小惯性或者无惯性扫描方式被引入到体成像过程中。通过移动样本方式逐层扫描进行体成像通常会受到系统惯性的影响而运动速度不能提升，通过远程聚焦技术(remote focusing)将样本平台的大惯量系统转换成仅需移动反射镜小惯量系统，不同层的采集帧率受限于相机的采集速度。进一步地，使用空间光调制器如变形镜(deformablemirror，简称dm)或者电动可调透镜(electrically tunable lens，简称etl)同样可以实现快速扫描的效果。基于此种方法的扫描形式通常需要逐层扫描，在快速三维空间的体成像时受到空间调制能力和调制速度的限制。
3、因此，提出一种成本可控且快速体成像的装置和方法十分必要。
技术实现思路
1、本技术针对现有方式的缺点，提出一种成像装置、成像方法、电子设备及计算机可读存储介质，用以解决现有技术存在的体成像速度较慢的技术问题。
2、第一个方面，本技术实施例提供了一种成像装置，包括：
3、控制单元，用于根据样本中的感兴趣区域生成具有待形成焦点的数量和位置信息的全息图，并控制成像过程中的空间光调制单元、扫描单元和探测器同步工作；
4、空间光调制单元，与控制单元连接，控制单元将全息图加载至空间光调制单元，加载有全息图的空间光调制单元用于对接收到的激光光束进行整形，生成目标波，目标波的波前信息包括生成在待成像平面内的焦点数量和焦点位置；
5、滤波单元，用于对目标波进行滤波处理，以将目标波中除预设级次之外的其他级次的衍射光滤除；
6、扫描单元，与控制单元连接，控制单元控制扫描单元单轴扫描，以使照射在样本待成像平面内的焦点在扫描方向上延展，其中，扫描方向与待成像平面相交；
7、探测器，用于以与扫描单元的扫描速率相匹配的采样速率收集样本在焦点位置处沿扫描方向被目标波激发后的荧光信号，并将荧光信号发送给控制单元；
8、若焦点的数量为一个，则控制单元根据该焦点的位置信息和接收的荧光信号的映射关系进行像素注册，以获得样本的图像；
9、若焦点的数量为多个，则控制单元根据多个焦点的位置信息和接收的荧光信号，利用压缩感知算法获得样本的图像。
10、可选地，控制单元包括全息图生成模块、处理模块、信号采集与发生模块；全息图生成模块用于生成全息图并将全息图加载至空间光调制单元；信号采集与发生模块分别与空间光调制单元、扫描单元和探测器连接，信号采集与发生模块根据处理模块发送的命令向空间光调制单元、扫描单元和探测器发送同步信号，以控制空间光调制单元、扫描单元和探测器同步工作；探测器将荧光信号转换为电压信号并将电压信号发送至信号采集与发生模块，信号采集与发生模块将与电压信号对应的数据发送给处理模块；处理模块根据焦点的数量、焦点的位置信息和与电压信号对应的数据进行单焦点或多焦点的荧光图像的生成。
11、可选地，在单次扫描过程中，探测器同步采集n次，以获得在单个全息图、单次扫描过程中的荧光信号，其中，n大于或等于1；和/或，控制单元同时向空间光调制单元和扫描单元发送同步信号，使空间光调制单元和扫描单元同步触发；扫描单元完成单次扫描后向控制单元发出单次扫描完成信号，控制单元即时控制空间光调制单元切换全息图。
12、可选地，全息图为二值化全息图像，加载有二值化全息图像的空间光调制单元对光束进行波前整形以调制光束；光束的多个焦点通过叠加设计的二元全息图来生成，每个二元全息图均包含焦点的空间信息和强度信息；
13、光束生成p个焦点时，目标波前二值全息图生成过程使用下式表示：
14、
15、其中，p≥1；x，y表示物镜下空间坐标位置；i，j表示微镜阵列的单微镜位置；q是控制光栅条纹宽度的常量，0≤q≤1/2；t是控制生成全息图级次距离的常量；k为整数；ii表示第ii个焦点；bii表示不同焦点之间的相对强度，表示用于控制多焦点位置和形状的附加相位；rii(x,y)为描述光栅相位的项，用于控制焦点的横向扫描；为描述球面波前的项，用于控制焦点轴向移动；rii(x,y)和分别使用下式表示：
16、
17、rii(x,y)＝x·sin(α)+y·cos(α)
18、其中，λ表示系统工作的激发波长；f表示控制波前的等效焦距；α为控制光栅相位的旋转角度。
19、可选地，采用wgs算法对每个焦点的强度均匀度进行迭代，通过单独确定每个点并直接将多个点的相位信息叠加上述目标波前二值全息图生成过程表示式hm(i,j)来生成多个焦点；迭代过程使用下式表示：
20、
21、
22、
23、
24、
25、
26、
27、其中：p为目标焦点的个数；φ(x,y)表示多焦点的目标相位，包含p个目标焦点的相位信息；φl表示在第l次循环中焦点的目标相位信息；wii表示第ii个焦点的权重；θii表示第ii个焦点的相位；表示该焦点的目标强度；表示归一化的电场强度；ul表示所有焦点的均匀程度；表示在第l次迭代中焦点强度的最大值和最小值；i、j不超过微镜阵列横纵方向的像素数px、py。
28、可选地，成像装置还包括用于对激光光束进行角色散补偿的色散补偿单元；色散补偿单元包括第一光栅、第一透镜和第二透镜，第一光栅对激光光束产生正角色散；空间光调制单元包括数字微镜阵列，控制单元与数字微镜阵列连接，将全息图加载到数字微镜阵列，数字微镜阵列在全息模式下工作，对光束进行调制，使光束生成至少一个焦点，至少一个焦点任意分布在待成像平面内，并与位于待成像平面内的至少一个预设位置一一对应；数字微镜阵列复用为色散补偿单元的第二光栅，第二光栅对光束产生负角色散；第一光栅、第一透镜、第二透镜和数字微镜阵列依次设置；和/或，
29、待成像平面为平行于竖直方向和第一水平方向的竖直平面，空间光调制单元调制光束，使光束在对应于竖直平面的任意一个或多个预设位置处生成一个或多个焦点，以在视场内对样本的竖直平面内的任意空间点进行探测；扫描方向平行于第二水平方向，第二水平方向垂直于竖直平面，扫描单元包括扫描振镜，扫描振镜调节光束的角度，使光束进入物镜并沿第二水平方向对样本进行扫描。
30、可选地，成像装置还包括第三透镜和第四透镜，第三透镜设置在空间光调制单元和滤波单元之间，第三透镜对光束进行傅里叶变换；滤波单元采用空间滤波方法对光束进行滤波处理，以使-1级衍射光通过，将除-1级衍射光之外的衍射光滤除；第四透镜设置在滤波单元和扫描单元之间，空间光调制单元、第三透镜、滤波单元、第四透镜和扫描单元依次设置；和/或，
31、成像装置还包括第五透镜、第六透镜和二向色镜，扫描单元、第五透镜、第六透镜和二向色镜依次设置；二向色镜对光束进行反射，使光束进入物镜；探测器包括单像素探测器，物镜、二向色镜和单像素探测器依次设置；二向色镜对样本被激发的荧光进行透射，样本被激发的荧光依次透过物镜和二向色镜到达单像素探测器，单像素探测器收集对应于每一个焦点和与该焦点对应的扫描方向的荧光强度信息。
32、第二个方面，本技术实施例提供了一种成像方法，包括：
33、根据样本中的感兴趣区域生成具有待形成焦点的数量和位置信息的全息图；
34、依据全息图，对接收的激光光束进行整形，生成目标波，目标波的波前信息包括生成在待成像平面内的焦点数量和焦点位置；
35、对目标波进行滤波，以将目标波中除预设级次之外的其他级次的衍射光滤除；
36、进行单轴扫描，以使照射在样本待成像平面内的焦点在扫描方向上延展，其中，扫描方向与待成像平面相交；
37、以与扫描速率相匹配的采样速率收集样本在焦点位置处沿扫描方向被目标波激发后的荧光信号；
38、根据一个焦点的位置信息和收集的荧光信号的映射关系进行像素注册，以获得样本的图像；或者，根据多个焦点的位置信息和收集的荧光信号，利用压缩感知算法获得样本的图像。
39、可选地，全息图为二值化全息图像，利用加载有二值化全息图像的数字微镜阵列对光束进行波前整形以调制光束；依据全息图，对接收的激光光束进行整形，生成目标波，包括：采用wgs算法对每个焦点的强度均匀度进行迭代，通过单独确定每个点并直接将多个点的相位信息叠加目标波前二值全息图生成过程来生成多个焦点；和/或，
40、成像方法包括重复执行整形、滤波和扫描操作多次，以收集多组荧光信号，对多组荧光信号进行数据分割和重构，以生成样本的图像。
41、第三个方面，本技术实施例提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器上存储有计算机程序，处理器执行计算机程序以实现如上述的成像方法。
42、第四个方面，本技术实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述的成像方法。
43、本技术实施例提供的技术方案带来的有益技术效果包括：
44、本技术实施例中，控制单元根据样本的感兴趣区域生成具有待形成焦点的数量和位置信息的全息图，并将该全息图加载至空间光调制单元，加载有该全息图的空间光调制单元对接收到的激光光束进行整形，生成目标波，其中目标波的波前信息包括生成在待成像平面内的焦点数量和焦点位置，从而对待成像平面内的激光焦点的位置和数量进行精确控制；接着，滤波单元对目标波进行滤波处理，将目标波中除预设级次之外的其他级次的衍射光滤除，使预设级次的衍射光通过；控制单元控制成像过程中的空间光调制单元、扫描单元和探测器同步工作，控制单元控制扫描单元单轴扫描，使照射在样本待成像平面(比如x-z平面)内的焦点在扫描方向(比如y方向)上延展；探测器以与扫描单元的扫描速率相匹配的采样速率收集样本在焦点位置处沿扫描方向被目标波激发后的荧光信号，并将荧光信号发送给控制单元用于成像。
45、如果焦点的数量为一个，则控制单元根据该焦点的位置信息和接收的荧光信号的映射关系进行像素注册，获得样本的图像，从而实现快速体成像。如果焦点的数量为多个，则控制单元根据多个焦点的位置信息和接收的荧光信号，利用压缩感知算法，获得样本的图像，从而实现快速体成像。
46、本技术实施例使用一种mems器件(包括数字微镜阵列和扫描振镜)，通过加载有全息图的数字微镜阵列能够对x-z平面内的激光焦点的位置和数量进行精确控制，沿轴向生成空间任意扫描焦点，扫描振镜控制目标波沿y方向对样本进行扫描。结合二值化全息图生成方案并使用数字微镜阵列进行视场内位于x-z平面内任意空间点的探测，配合扫描振镜在y方向的共振扫描，实现三维空间的快速成像。
47、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
1.一种成像装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述控制单元包括全息图生成模块、处理模块、信号采集与发生模块；
3.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，在单次扫描过程中，所述探测器同步采集n次，以获得在单个全息图、单次扫描过程中的荧光信号，其中，n大于或等于1；和/或，
4.根据权利要求1至3中任一项所述的成像装置，其特征在于，所述全息图为二值化全息图像，加载有所述二值化全息图像的所述空间光调制单元对光束进行波前整形以调制光束；
5.根据权利要求4所述的成像装置，其特征在于，采用wgs算法对每个焦点的强度均匀度进行迭代，通过单独确定每个点并直接将多个点的相位信息叠加上述目标波前二值全息图生成过程表示式hm(i,j)来生成多个焦点；迭代过程使用下式表示：
6.根据权利要求1至3中任一项所述的成像装置，其特征在于，还包括用于对激光光束进行角色散补偿的色散补偿单元；
7.根据权利要求1至3中任一项所述的成像装置，其特征在于，还包括第三透镜和第四透镜，所述第三透镜设置在所述空间光调制单元和所述滤波单元之间，所述第三透镜对光束进行傅里叶变换；
8.一种成像方法，其特征在于，包括：
9.根据权利要求8所述的成像方法，其特征在于，所述全息图为二值化全息图像，利用加载有所述二值化全息图像的数字微镜阵列对光束进行波前整形以调制光束；
10.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现如权利要求8或9所述的成像方法。
11.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求8或9所述的成像方法。
