现代生物医学诊断与遥感技术发展至需在活体内实现宽距离范围显微成像、远距离微小物体进行精密监测的阶段。当前望远镜和显微镜等成像技术受限于分辨率与成像距离的基本权衡关系，以及有限孔径成像系统对成像距离范围的约束。高分辨率成像通常导致成像距离缩短和距离范围收窄，而长距离成像则伴随分辨率降低。该领域面临同时满足高分辨率、宽距离范围和长成像距离的技术挑战，现有成像技术尚未突破这三者的矛盾关系。
多种成像方法聚焦于分辨率提升和通过散射介质成像能力，包括无透镜成像（如相干衍射成像CDI、散斑相关成像）、合成接收孔径成像（如合成孔径激光雷达、叠层成像）以及受激荧光显微成像（如受激发射损耗STED、光激活定位显微镜PALM、随机光学重建显微镜STORM、基于DNA点积累的的纳米尺度拓扑成像DNA-PAINT）。这些方法及传统成像方法均基于直接光收集策略，在解决成像分辨率与成像距离之间的权衡问题上存在根本限制。
基于此，国防科技大学的Wenjun Yi（一作）和Xiujian Li（通讯）提出了中继投影显微望远镜（rPMT）方法，实现了从厘米至百米级距离的微米分辨率动态成像，达到了超越相机镜头衍射极限7.9—58.2倍的分辨率提升。该方法通过非视距光收集与平方律投影机制(采集放大的中继投影空间功率谱图案)，仅需激光二极管、便携相机和漫反射白板，即可在单次拍摄中重建动态振幅-相位混合物体的高分辨率图像，突破了传统成像技术中空间分辨率与距离的权衡限制，在1019.0毫米、26.4米和96.0米处分别解析出2.76微米、22.10微米和35.08微米特征尺寸。为生物医学诊断和长距离监测提供了低成本、高灵活性的解决方案。
rPMT 成像方法基于间接光收集策略，物体的空间功率谱（SPS）图案经投影到漫反射屏上，再由相机采集。根据阿贝理论，传统直接光采集策略的成像分辨率受镜头光圈和物距限制，而rPMT的间接策略中，物体可见光先被漫射屏收集形成光强图案，相机只需采集该图案为重建算法提供数据源。在成像过程中，SPS图案的高空间频率分量对应物体的高分辨率特征和超精细结构，物屏距离越大，SPS图案在屏上尺寸越大，结构特征分离度越高。为从采集的SPS图像重建物体图像，提出了非线性约束乒乓算法（NCPP）进行相位复原。该算法针对不同应用场景(远场近似和近轴近似)有两种版本，能有效利用低信噪比高频分量，增强对SPS图像过曝光和低动态范围的容忍度，从而实现从厘米到数百米远距离的高分辨率成像。
使用2W、532nm连续波激光二极管照明。采用Dhyana 400BSI单色相机（2048×2048，6.5μm）搭配Thorlabs MVL50TM23成像镜头采集SPS图像。散射片使用Thorlabs DG20-600-MD, 600砂的磨砂玻璃。用多种透射和反射物体进行实验。依实验需求调整照明方式、相机与屏幕距离、相机积分时间，不同场景选用白灰墙或A0打印纸作中继投影屏。
重建SPS图案时，需预估计菲涅尔衍射积分的球形相位项，物屏距鲁棒性很高， 可通过激光测距仪直接测量或粗略估计。物平面的采样间隔需要校准，为此使用用已知尺寸参考物体（如身份证、A4 纸）贴在中继投影屏中心，由其实际边长和对应像素数算出观察平面采样间隔，再推得物平面采样间隔，部分远场SPS重建无需校准。
SPS图案先裁剪为有效矩形窗口，通过平均图像角落像素灰度值作背景值并相减，取减去背景后的图案的平方根作为NCPP相位恢复算法输入。视场直径超物体域大小时，对SPS图像插值上采样，以防止重建失败。部分实验进行双曝光融合(消除过曝影响)，其他多基于单帧 SPS 图像重建。
NCPP相位恢复算法用于夫琅禾费衍射SPS图案重建，结合乒乓算法和频域非线性模量递减约束，利用低信噪比高频分量，提升对SPS图案过曝和低动态范围的容忍度。相位调制NCPP算法用于菲涅尔衍射SPS图像重建，先估计菲涅尔衍射积分的球面相位项，再在空间域施加约束来重建物体图像。
图1.rPMT 的示意图。a 方法概念概述。b 照明激光束轮廓各不相同，以适应不同的成像要求，物体上的照明强度和成像区域大小可通过聚焦透镜进行调整。EB1/EB2，扩展光束。c 中继屏的漫射面向各个方向散射光子，说明该屏实现了统计平均视角下入射光强度的记录和转发。
图2.基于 rPMT 的单次显微成像，适用于米级工作距离的生物显微镜载玻片和动态活体样品。
参考文献：Yi, W., Zhu, S., Fu, M. et al. Relay-projection microscopic telescopy. Light Sci Appl 14, 117 (2025).
DOI：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01800-6
