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Python & MATLAB 仿真实现紧密聚焦全息网络(2)---无监督学习

  • 2026-09-06 03:20:29
Python & MATLAB 仿真实现紧密聚焦全息网络(2)---无监督学习
导读

上一期,我们已经实现了无监督学习多焦点和简单结构的无监督重建,本期将紧接着上期实现任意图片的高保真构建。在传统的计算全息(CGH)方法中,我们往往依赖迭代优化算法(如GS算法)或监督学习模型来实现目标光场的重建。然而,这些方法通常存在计算复杂、依赖标签数据、泛化能力有限等问题。无监督学习驱动的全息网络(Unsupervised Holographic Network)可以实现:1)不依赖真实标签数据;2)不需要复杂的人工标注;3)直接从物理模型中学习;4)实现高精度、实时的光场调控。


一、无监督学习

在全息成像任务中,理想输出(目标光场)虽然已知,但:

1)很难获得“输入-输出”对(即相位-光场的精确映射)
2)实际系统中存在噪声、非理想响应
3)监督学习需要大量数据,成本极高

因此,无监督学习成为一种更自然的选择:

核心思想:

利用物理传播模型作为“监督信号”

即:

相位(网络输出) → 光场传播(物理模型) → 与目标光场对比 → 计算损失

这本质上是一个:Physics-informed Learning(物理约束学习)


二、系统整体架构

整个无监督全息网络可以分为三个核心模块:


1)相位生成网络(Phase Generator)

  • 输入:目标光强分布(Target Intensity)
  • 输出:相位图(Phase Map)
  • 常用结构:
    • CNN / U-Net
    • Transformer

2) 光场传播模型(Forward Model)

这是整个架构的关键:菲涅尔传播(Fresnel Diffraction)/ 高数值孔径物镜衍射积分网络、傅里叶光学传播(FFT-based propagation),这个过程必须是可微的(Differentiable)


3)损失函数(Loss Function)

常见设计:MSE(目标光强 vs 重建光强)、SSIM(结构相似性)、能量约束(Energy Constraint)


三、Python&Matlab仿真结果
训练环境:同前一期一样
训练1轮结果,S1=1
训练10轮结果,S1=1
训练20轮结果,S1=1
训练50轮结果, S1=1
训练1轮结果, S1=2
训练20轮结果, S1=2
训练50轮结果, S1=2
训练60轮结果, S1=2
多焦点训练30轮结果

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