在生物醫(yī)學診斷與遠程監(jiān)控領(lǐng)域，“看清”微小目標始終是技術(shù)追求的核心。醫(yī)生需要清晰觀測體內(nèi)微米級病變，科研人員渴望捕捉百米外目標細節(jié)，工業(yè)檢測需識別遠距離微小缺陷。然而，傳統(tǒng)成像技術(shù)受限于分辨率與成像距離的矛盾：顯微鏡高分辨卻只能近場工作，望遠鏡能遠觀卻分辨率低下。

國防科技大學團隊研發(fā)的“中繼投影顯微望遠鏡技術(shù)（rPMT）”打破了這一困境。該技術(shù)通過非視線光收集與創(chuàng)新算法，僅用激光、相機和漫反射屏，實現(xiàn)厘米到百米級距離的微米級分辨率成像，甚至穿透散射介質(zhì)。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
分辨率與距離之困
光學成像受阿貝衍射極限制約，分辨率與鏡頭孔徑正相關(guān)，與成像距離負相關(guān)。傳統(tǒng)顯微鏡依賴大孔徑實現(xiàn)高分辨率（亞微米級），但工作距離僅毫米級；望遠鏡通過長焦距擴大觀測范圍，分辨率卻隨距離下降（如25mm鏡頭在10米處分辨率僅560μm）。這種矛盾在生物醫(yī)學（活體組織成像）與遙感（遠距離目標監(jiān)測）中尤為突出：前者需穿透厘米級組織分辨細胞，后者需百米外識別小型目標，現(xiàn)有技術(shù)難以兼顧。

現(xiàn)有超分辨率技術(shù)的局限
STED、STORM等超分辨率技術(shù)依賴熒光標記，無法無標記成像且系統(tǒng)復(fù)雜；CDI、Ptychography等通過掃描或波前調(diào)制提升分辨率，但數(shù)據(jù)采集慢、抗干擾弱。面對散射介質(zhì)（如生物組織、云霧），傳統(tǒng)技術(shù)有效距離不足1米，遠不能滿足需求。

行業(yè)剛需的共性訴求
生物醫(yī)學亟需無標記、長距離成像（如內(nèi)鏡無創(chuàng)診斷），遙感與安防需要百米級分辨率（如電力巡檢、邊境監(jiān)控）。這些需求推動研發(fā)一種兼具長距離、寬范圍、高分辨率的通用成像技術(shù)。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
核心原理
中繼投影顯微望遠鏡技術(shù)（rPMT）顛覆傳統(tǒng)“直接成像”模式，采用“中繼投影-間接采集”架構(gòu)：

空間功率譜投影：激光照射目標，其光場的空間功率譜（SPS）經(jīng)漫反射屏轉(zhuǎn)換為強度圖案，高頻細節(jié)（目標紋理）在屏上分離放大。

單次曝光采集：相機聚焦中繼屏，捕獲包含目標全局信息的SPS圖像，無需與目標視線對齊，支持非視線成像。

非線性相位恢復(fù)：專屬NCPP算法從單幀SPS圖像恢復(fù)目標振幅與相位，利用低信噪比高頻分量，克服傳統(tǒng)算法對強信號的依賴。

核心優(yōu)勢
突破衍射極限：分辨率提升數(shù)十倍
分辨率由中繼屏尺寸決定，而非鏡頭孔徑。例如，10米處1.3米屏使分辨率達22.10μm，較傳統(tǒng)技術(shù)提升25倍；96米處仍達35.08μm，提升58倍。理論上，屏越大，可捕捉的空間頻率越寬，分辨率越高。

寬范圍適應(yīng)：顯微與望遠無縫切換
同一設(shè)備可實現(xiàn)跨尺度成像：1米外分辨2.76μm線條（超越顯微鏡近場限制），96米外識別2cm手寫字符，還能透過26米散射介質(zhì)重建目標，滿足生物醫(yī)學（細胞觀測）與遙感（遠距離監(jiān)測）的雙重需求。

極簡架構(gòu)：無標記、無掃描、低復(fù)雜度
無需熒光標記、波前調(diào)制或掃描，僅需激光、中繼屏、相機。
無標記成像：適用于活體組織、文物等禁止標記場景；
動態(tài)適應(yīng)性：單次曝光捕獲動態(tài)目標，配合高速相機實現(xiàn)74fps實時重建；
環(huán)境魯棒性：漫反射屏降低環(huán)境光干擾，普通相機即可應(yīng)用。

變革性應(yīng)用場景
生物醫(yī)學：無標記活體顯微新維度
對1米外輪蟲樣本，清晰顯示5μm剛毛結(jié)構(gòu)；蠶豆根尖切片的細胞邊界與細胞器分布無需染色即可分辨。相位襯度成像通過光場相位識別透明結(jié)構(gòu)，為活體細胞動態(tài)監(jiān)測（如輪蟲附肢擺動）提供無損傷工具。

遙感監(jiān)測：遠距離目標清晰可見
26.4米處分辨22.10μm線條（相當于看清10層樓高地面的硬幣紋路），96米外重建“知秋”字樣（結(jié)構(gòu)相似度>0.95），可應(yīng)用于電力巡檢（毫米級裂紋識別）、邊境監(jiān)控（人員裝備細節(jié)分辨）。

散射介質(zhì)穿透：復(fù)雜環(huán)境突圍
26米距離穿透毛玻璃，分辨率達50μm，較傳統(tǒng)散射成像技術(shù)提升10倍以上，為術(shù)中組織定位、霧霾天氣監(jiān)控提供解決方案。

成像實驗與結(jié)果分析
近距離顯微成像實驗
在近距離的顯微成像實驗中，通過rPMT系統(tǒng)，成功從單次拍攝的空間功率譜圖像中重建出了物體的高分辨率圖像，分辨出了線寬為2.76微米的線對，這一分辨率遠遠超出了傳統(tǒng)25毫米口徑相機鏡頭在該距離下的阿貝衍射極限，實現(xiàn)了7.9倍的分辨率提升。這表明rPMT技術(shù)在顯微成像領(lǐng)域具有極高的性能，能夠滿足生物醫(yī)學研究中對細胞等微觀結(jié)構(gòu)的精細觀測需求。此外，實驗還測試了rPMT對于復(fù)雜數(shù)值振幅目標的成像能力，rPMT同樣精準地重建出了該復(fù)雜目標的圖像，證明了其在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)目標時的有效性。對于相位物體的成像實驗，結(jié)果顯示，rPMT技術(shù)能夠以高分辨率忠實地重建出相位物體的圖像，進一步展示了其在生物醫(yī)學成像中對細胞等具有相位特征的透明物體的成像潛力。

遠距離望遠成像實驗
在遠距離成像實驗中，通過雙曝光融合技術(shù)提高 SPS圖像的動態(tài)范圍后，成功分辨出了線寬為22.10微米的線對，遠超該距離下傳統(tǒng)相機鏡頭的衍射極限（約561.79微米），實現(xiàn)了25.0倍的分辨率提升。同時，對于透射物體的測試也取得了結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)（SSIM）大于91%的高保真成像結(jié)果，表明rPMT技術(shù)在遠距離成像中對物體細微結(jié)構(gòu)特征的精確捕捉能力。在96.0米處的實驗中，rPMT系統(tǒng)成功實現(xiàn)了優(yōu)于35.08微米的分辨率，遠超傳統(tǒng)相機鏡頭的衍射極限，實現(xiàn)了58.2倍的分辨率提升。對于一些手工制作的厘米級反射物體，rPMT也能夠?qū)崿F(xiàn)SSIM指數(shù)大于0.95的高質(zhì)量圖像重建，進一步證明了其在遠距離成像中的卓越性能。

散射介質(zhì)成像實驗
在散射介質(zhì)成像實驗中，實驗結(jié)果顯示，即使在散射介質(zhì)存在的情況下， rPMT仍然能夠從單次拍攝的散射SPS圖像中清晰地重建出物體圖像。這主要得益于rPMT技術(shù)對光學記憶效應(yīng)和傅里葉光學的結(jié)合，使得散射后的SPS與無散射情況下的SPS在低頻和中頻成分上基本保持一致，從而實現(xiàn)了在超寬距離范圍內(nèi)的高分辨率散射成像，將傳統(tǒng)散射成像技術(shù)的成像距離從1米左右拓展至百米量級。

總結(jié)與展望
中繼投影顯微望遠成像技術(shù)（rPMT）以其創(chuàng)新的非直射光收集和中繼投影機制，突破了傳統(tǒng)成像技術(shù)中空間分辨率與成像距離難以兼得的瓶頸，實現(xiàn)了從顯微到望遠的超寬距離范圍內(nèi)的微米級高分辨率成像。這一技術(shù)在生物醫(yī)學領(lǐng)域為活體動態(tài)成像和無標記細胞觀測提供了全新解決方案，推動醫(yī)學診斷向更精準、實時的方向發(fā)展；在遙感監(jiān)測中，它能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離小型目標的精準探測，為軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測等任務(wù)提供強大支持。

此外，rPMT技術(shù)在散射介質(zhì)成像方面的潛力，進一步拓展了其應(yīng)用場景。盡管rPMT仍處于發(fā)展階段，但隨著高靈敏度成像傳感器、高功率脈沖激光和高性能漫反射屏幕等關(guān)鍵設(shè)備的不斷進步，其分辨率、成像距離和速度有望進一步提升。未來，rPMT技術(shù)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，如手術(shù)顯微鏡輔助、工業(yè)檢測和航空航天監(jiān)測等，為人類探索微觀與宏觀世界提供更多可能，推動科研、醫(yī)療和工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展邁向新高度。

論文信息
聲明：本文僅用作學術(shù)目的。
Yi W, Zhu S, Fu M, Gu N, Qi J, Liu S, Zhu M, Wang P, Chen X, Zhang Y, Zhang H, Xu Y, Du J, Xiong P, Dong Z, Dong L, Liu Q, Li X. Relay-projection microscoPIc telescopy. Light Sci Appl. 2025 Mar 7;14(1):117. 

DOI:10.1038/s41377-025-01800-6.