Deep learning in computational microscopy is severely constrained by the scarcity of densely annotated datasets. While synthetic data generation has bridged this gap in macroscopic computer vision, traditional graphics engines rely on geometric ray-tracing, failing to capture the micro-optical phenomena required for microscopy. Conversely, while wave-optics formulations exist, rendering them computationally tractable at the scale required for deep learning remains a massive systems challenge. To address this, we introduce the Optical Synthetic Object Generator (OSOG), a high-performance, fully differentiable forward-modeling engine. Drawing on established physical models of diffraction and phase retardation, OSOG maps continuous Optical Path Difference (OPD) calculations into a highly optimized, PyTorch-native Structure-of-Arrays (SoA) architecture. We validate this computational framework across three axes: First, object detection models (YOLOv11-OBB) trained purely on OSOG-generated data achieve robust zero-shot transfer to real-world highly occluded Lysozyme micrographs. Second, we introduce DiffOSOG, demonstrating that the engine's end-to-end differentiability allows for the exact recovery of continuous optical parameters via curriculum-guided inverse rendering. Finally, OSOG bypasses the $\mathcal{O}(N)$ bottlenecks of sequential ray-tracing, demonstrating sub-linear scaling by synthesizing 40,000 complex wave-optic particles in under 50 milliseconds (\>20 FPS). By providing a fast, scalable, and physically grounded tensor pipeline, OSOG enables true real-time, on-the-fly dataset generation.


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《工程》是中国工程院(CAE)于2015年推出的国际开放存取期刊。其目的是提供一个高水平的平台,传播和分享工程研发的前沿进展、当前主要研究成果和关键成果;报告工程科学的进展,讨论工程发展的热点、兴趣领域、挑战和前景,在工程中考虑人与环境的福祉和伦理道德,鼓励具有深远经济和社会意义的工程突破和创新,使之达到国际先进水平,成为新的生产力,从而改变世界,造福人类,创造新的未来。 期刊链接:https://www.sciencedirect.com/journal/engineering
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