在生物醫學診斷與遠程監控領域，“看清”微小目標始終是技術追求的核心。醫生需要清晰觀測體內微米級病變，科研人員渴望捕捉百米外目標細節，工業檢測需識別遠距離微小缺陷。然而，傳統成像技術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的“中繼投影顯微望遠鏡技術（rPMT）”打破了這一困境。該技術通過非視線光收集與創新算法，僅用激光、相機和漫反射屏，實現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。

研究背景與技術挑戰
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，與成像距離負相關。傳統顯微鏡依賴大孔徑實現高分辨率（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）。這種矛盾在生物醫學（活體組織成像）與遙感（遠距離目標監測）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，現有技術難以兼顧。

現有超分辨率技術的局限
STED、STORM等超分辨率技術依賴熒光標記，無法無標記成像且系統復雜；CDI、Ptychography等通過掃描或波前調制提升分辨率，但數據采集慢、抗干擾弱。面對散射介質（如生物組織、云霧），傳統技術有效距離不足1米，遠不能滿足需求。

行業剛需的共性訴求
生物醫學亟需無標記、長距離成像（如內鏡無創診斷），遙感與安防需要百米級分辨率（如電力巡檢、邊境監控）。這些需求推動研發一種兼具長距離、寬范圍、高分辨率的通用成像技術。

技術創新與應用
核心原理
中繼投影顯微望遠鏡技術（rPMT）顛覆傳統“直接成像”模式，采用“中繼投影-間接采集”架構：

空間功率譜投影：激光照射目標，其光場的空間功率譜（SPS）經漫反射屏轉換為強度圖案，高頻細節（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：專屬NCPP算法從單幀SPS圖像恢復目標振幅與相位，利用低信噪比高頻分量，克服傳統算法對強信號的依賴。

核心優勢
突破衍射極限：分辨率提升數十倍
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，較傳統技術提升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：顯微與望遠無縫切換
同一設備可實現跨尺度成像：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米散射介質重建目標，滿足生物醫學（細胞觀測）與遙感（遠距離監測）的雙重需求。

極簡架構：無標記、無掃描、低復雜度
無需熒光標記、波前調制或掃描，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；
動態適應性：單次曝光捕獲動態目標，配合高速相機實現74fps實時重建；
環境魯棒性：漫反射屏降低環境光干擾，普通相機即可應用。

變革性應用場景
生物醫學：無標記活體顯微新維度
對1米外輪蟲樣本，清晰顯示5μm剛毛結構；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構，為活體細胞動態監測（如輪蟲附肢擺動）提供無損傷工具。

遙感監測：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（結構相似度>0.95），可應用于電力巡檢（毫米級裂紋識別）、邊境監控（人員裝備細節分辨）。

散射介質穿透：復雜環境突圍
26米距離穿透毛玻璃，分辨率達50μm，較傳統散射成像技術提升10倍以上，為術中組織定位、霧霾天氣監控提供解決方案。

成像實驗與結果分析
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，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25毫米口徑相機鏡頭在該距離下的阿貝衍射極限，實現了7.9倍的分辨率提升。這表明rPMT技術在顯微成像領域具有極高的性能，能夠滿足生物醫學研究中對細胞等微觀結構的精細觀測需求。此外，實驗還測試了rPMT對于復雜數值振幅目標的成像能力，rPMT同樣精準地重建出了該復雜目標的圖像，證明了其在處理復雜結構目標時的有效性。對于相位物體的成像實驗，結果顯示，rPMT技術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提高 SPS圖像的動態范圍后，成功分辨出了線寬為22.10微米的線對，遠超該距離下傳統相機鏡頭的衍射極限（約561.79微米），實現了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構相似性指數（SSIM）大于91%的高保真成像結果，表明rPMT技術在遠距離成像中對物體細微結構特征的精確捕捉能力。在96.0米處的實驗中，rPMT系統成功實現了優于35.08微米的分辨率，遠超傳統相機鏡頭的衍射極限，實現了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也能夠實現SSIM指數大于0.95的高質量圖像重建，進一步證明了其在遠距離成像中的卓越性能。

散射介質成像實驗
在散射介質成像實驗中，實驗結果顯示，即使在散射介質存在的情況下， 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技術對光學記憶效應和傅里葉光學的結合，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，從而實現了在超寬距離范圍內的高分辨率散射成像，將傳統散射成像技術的成像距離從1米左右拓展至百米量級。

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

此外，rPMT技術在散射介質成像方面的潛力，進一步拓展了其應用場景。盡管rPMT仍處于發展階段，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鍵設備的不斷進步，其分辨率、成像距離和速度有望進一步提升。未來，rPMT技術將在更多領域發揮重要作用，如手術顯微鏡輔助、工業檢測和航空航天監測等，為人類探索微觀與宏觀世界提供更多可能，推動科研、醫療和工業等領域的發展邁向新高度。

論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
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.