Benefiting from its single-photon sensitivity, single-photon avalanche diode (SPAD) array has been widely applied in various fields such as fluorescence lifetime imaging and quantum computing. However, large-scale high-fidelity single-photon imaging remains a big challenge, due to the complex hardware manufacture craft and heavy noise disturbance of SPAD arrays. In this work, we introduce deep learning into SPAD, enabling super-resolution single-photon imaging over an order of magnitude, with significant enhancement of bit depth and imaging quality. We first studied the complex photon flow model of SPAD electronics to accurately characterize multiple physical noise sources, and collected a real SPAD image dataset (64 $\times$ 32 pixels, 90 scenes, 10 different bit depth, 3 different illumination flux, 2790 images in total) to calibrate noise model parameters. With this real-world physical noise model, we for the first time synthesized a large-scale realistic single-photon image dataset (image pairs of 5 different resolutions with maximum megapixels, 17250 scenes, 10 different bit depth, 3 different illumination flux, 2.6 million images in total) for subsequent network training. To tackle the severe super-resolution challenge of SPAD inputs with low bit depth, low resolution, and heavy noise, we further built a deep transformer network with a content-adaptive self-attention mechanism and gated fusion modules, which can dig global contextual features to remove multi-source noise and extract full-frequency details. We applied the technique on a series of experiments including macroscopic and microscopic imaging, microfluidic inspection, and Fourier ptychography. The experiments validate the technique's state-of-the-art super-resolution SPAD imaging performance, with more than 5 dB superiority on PSNR compared to the existing methods.


翻译:我们从单一光谱敏感度、单光速雪崩二极管(SPAD)阵列中受益。我们首先研究了SPAD电子的复杂光流模型,以准确地描述多个物理噪音源,并收集了真实的SPAD图像数据集(64美元32个像素、90个场、10个不同深度、3个不同的光化通量、总共2790个图像),以校准噪音模型参数。在这项工作中,我们引入了SPAD的深层次级超分辨率单光速成像,使超分辨率的单光速成像成像成像,大大提升了位深度和成像质量。我们首先研究了SPAD电子的复杂光流模型,以准确描述多个物理噪音源的特性,并收集了真正的SPAD图像数据集(64美元3美元3美元比32个像素,10个不同深度,3个不同光谱的紫色通象素流成像),以校正噪音模型校准。我们第一次将一个大型的微粒子图像组合组合,用5个不同分辨率、17250个图像、10个不同深度的直径直径直径的直径直径直径的直径的直径直径直径直径直径的直径直径直径直径的直径直径直径直径直径直径的直径直径直径的直径的直径、3个直径直径直径的直径直径直径的直径的直径的直径的直径、一个直径的直径的直径、一个直径的直径路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路、3个直路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路、3的直路、3的直路路路路路路路路、3的直路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路的直路路的直路的直路的直路的直路的直路路路路路的直路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路路、3

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