在生物醫(yī)學(xué)診斷與遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域，“看清”微小目標(biāo)始終是技術(shù)追求的核心。醫(yī)生需要清晰觀測(cè)體內(nèi)微米級(jí)病變，科研人員渴望捕捉百米外目標(biāo)細(xì)節(jié)，工業(yè)檢測(cè)需識(shí)別遠(yuǎn)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(chǎng)工作，望遠(yuǎn)鏡能遠(yuǎn)觀卻分辨率低下。

國(guó)防科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“中繼投影顯微望遠(yuǎn)鏡技術(shù)（rPMT）”打破了這一困境。該技術(shù)通過(guò)非視線光收集與創(chuàng)新算法，僅用激光、相機(jī)和漫反射屏，實(shí)現(xiàn)厘米到百米級(jí)距離的微米級(jí)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(xué)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(fù)相關(guān)。傳統(tǒng)顯微鏡依賴大孔徑實(shí)現(xiàn)高分辨率（亞微米級(jí)），但工作距離僅毫米級(jí)；望遠(yuǎn)鏡通過(guò)長(zhǎng)焦距擴(kuò)大觀測(cè)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(xué)（活體組織成像）與遙感（遠(yuǎn)距離目標(biāo)監(jiān)測(cè)）中尤為突出：前者需穿透厘米級(jí)組織分辨細(xì)胞，后者需百米外識(shí)別小型目標(biāo)，現(xiàn)有技術(shù)難以兼顧。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
核心原理
中繼投影顯微望遠(yuǎn)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(biāo)，其光場(chǎng)的空間功率譜（SPS）經(jīng)漫反射屏轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度圖案，高頻細(xì)節(jié)（目標(biāo)紋理）在屏上分離放大。

單次曝光采集：相機(jī)聚焦中繼屏，捕獲包含目標(biāo)全局信息的SPS圖像，無(wú)需與目標(biāo)視線對(duì)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(biāo)振幅與相位，利用低信噪比高頻分量，克服傳統(tǒng)算法對(duì)強(qiáng)信號(hào)的依賴。

寬范圍適應(yīng)：顯微與望遠(yuǎn)無(wú)縫切換
同一設(shè)備可實(shí)現(xiàn)跨尺度成像：1米外分辨2.76μm線條（超越顯微鏡近場(chǎng)限制），96米外識(shí)別2cm手寫字符，還能透過(guò)26米散射介質(zhì)重建目標(biāo)，滿足生物醫(yī)學(xué)（細(xì)胞觀測(cè)）與遙感（遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)）的雙重需求。

極簡(jiǎn)架構(gòu)：無(wú)標(biāo)記、無(wú)掃描、低復(fù)雜度
無(wú)需熒光標(biāo)記、波前調(diào)制或掃描，僅需激光、中繼屏、相機(jī)。
無(wú)標(biāo)記成像：適用于活體組織、文物等禁止標(biāo)記場(chǎng)景；
動(dòng)態(tài)適應(yīng)性：?jiǎn)未纹毓獠东@動(dòng)態(tài)目標(biāo)，配合高速相機(jī)實(shí)現(xiàn)74fps實(shí)時(shí)重建；
環(huán)境魯棒性：漫反射屏降低環(huán)境光干擾，普通相機(jī)即可應(yīng)用。

遙感監(jiān)測(cè)：遠(yuǎn)距離目標(biāo)清晰可見(jiàn)
26.4米處分辨22.10μm線條（相當(dāng)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(jí)裂紋識(shí)別）、邊境監(jiān)控（人員裝備細(xì)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(dá)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(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
近距離顯微成像實(shí)驗(yàn)
在近距離的顯微成像實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)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(duì)，這一分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)25毫米口徑相機(jī)鏡頭在該距離下的阿貝衍射極限，實(shí)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(xué)研究中對(duì)細(xì)胞等微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)觀測(cè)需求。此外，實(shí)驗(yàn)還測(cè)試了rPMT對(duì)于復(fù)雜數(shù)值振幅目標(biāo)的成像能力，rPMT同樣精準(zhǔn)地重建出了該復(fù)雜目標(biāo)的圖像，證明了其在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)目標(biāo)時(shí)的有效性。對(duì)于相位物體的成像實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，rPMT技術(shù)能夠以高分辨率忠實(shí)地重建出相位物體的圖像，進(jìn)一步展示了其在生物醫(yī)學(xué)成像中對(duì)細(xì)胞等具有相位特征的透明物體的成像潛力。

總結(jié)與展望
中繼投影顯微望遠(yuǎn)成像技術(shù)（rPMT）以其創(chuàng)新的非直射光收集和中繼投影機(jī)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(shí)現(xiàn)了從顯微到望遠(yuǎn)的超寬距離范圍內(nèi)的微米級(jí)高分辨率成像。這一技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?yàn)榛铙w動(dòng)態(tài)成像和無(wú)標(biāo)記細(xì)胞觀測(cè)提供了全新解決方案，推動(dòng)醫(yī)學(xué)診斷向更精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的方向發(fā)展；在遙感監(jiān)測(cè)中，它能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離小型目標(biāo)的精準(zhǔn)探測(cè)，為軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)等任務(wù)提供強(qiáng)大支持。

此外，rPMT技術(shù)在散射介質(zhì)成像方面的潛力，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用場(chǎng)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(jìn)步，其分辨率、成像距離和速度有望進(jìn)一步提升。未來(lái)，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(cè)和航空航天監(jiān)測(cè)等，為人類探索微觀與宏觀世界提供更多可能，推動(dòng)科研、醫(yī)療和工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展邁向新高度。

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