集成化微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng) 的 設(shè)計與制作

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種條形碼正快速地進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞯母鱾€方面，給人們的生活和工作帶來了極大的便利。目前，一維條碼和射頻識別（RFID）在社會上應(yīng)用非常廣泛，但隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，一維條碼和RFID也開始顯現(xiàn)出了它們的不足。例如，存儲容量小，安全性低，體積大，價格貴等。在2009年，美國麻省理工學(xué)院多媒體實驗室研究人員發(fā)明出了一種光學(xué)標(biāo)簽，它存儲的數(shù)據(jù)要比同樣尺寸條形碼多數(shù)百萬，而且還沒有RFID的安全疑慮,同時這種名為Bokode標(biāo)簽的大小只有3mm，比傳統(tǒng)條形碼小很多叫在2011年，南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院設(shè)計并制作了有源和無源微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)時。本文根據(jù)Bokode標(biāo)簽原理設(shè)計并制作一種集成化微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)，其發(fā)射端采用集成化方式，接收端用手機(jī)相機(jī)接收。該系統(tǒng)能低成本、大規(guī)模地應(yīng)用微光學(xué)標(biāo)簽。

1微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要包括集成化發(fā)射端和接收端兩個部分。集成化發(fā)射端由LED、微型二維碼、小透鏡組成；接收端采用手機(jī)相機(jī)接收微型二維碼圖像，并利用手機(jī)中解碼軟件來解碼。由于手機(jī)相機(jī)焦距和光圈都已確定，要滿足標(biāo)簽微型化及手機(jī)相機(jī)接收要求，我們主要設(shè)計發(fā)射端，即微光學(xué)標(biāo)簽。

微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)原理圖如圖2所示。微光學(xué)標(biāo)簽小透鏡為孔徑光闌，其孔徑為b,焦距為fb,微型二維碼位于微光學(xué)標(biāo)簽小透鏡的物方焦面上；手機(jī)相機(jī)物鏡為視場光闌，其孔徑為a,焦距為fc;為探測距離。在文獻(xiàn)中，由于公式的推導(dǎo)是基于相機(jī)探測距離u遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于fb的情況，沒有考慮到近距離探測情況，不具有普遍性，所以本文下面將具體探討一般情況下公式的推導(dǎo)。在一般情況下，需要考慮到視場光闌的因素，視場光闌通過其前面小透鏡在物空間中成的像a'為入窗，它限制了能觀測到的微型二維碼。設(shè)能夠看到的微型二維碼碼塊尺寸為d，入窗與微型二維碼的距離為x'，F(xiàn)到相機(jī)物鏡中心的距離為x。根據(jù)牛頓公式 xx′=f b2 和垂直放大率公式再運用光學(xué)系統(tǒng)共焦成像放大率公式 [6] 算出微型二維碼成像碼塊尺寸：

2集成化發(fā)射端的設(shè)計與制作

2.1微光學(xué)標(biāo)簽的設(shè)計

中國移動使用的QRCode標(biāo)準(zhǔn)為GB/T18284—2000,該標(biāo)準(zhǔn)中的最高容量版本40的模塊數(shù)為177X177［7］。為滿足終端裝置即手機(jī)的識讀，每個模塊至少占4個像素點，則終端圖像傳感器像素點至少為：

（177×2）×（177×2）=354×354=125316

我們選用諾基亞N8手機(jī)作為標(biāo)簽的接收器，該手機(jī)圖像傳感器的分辨率為4000X3000=1200萬，因而有足夠的分辨率冗余度。

手機(jī)相機(jī)的光圈F為2.8,焦距f的大小為5.9mm，根據(jù)公式F=f/a［8］可知手機(jī)相機(jī)鏡頭的光圈孔徑為a=fc/F=2.11mm。手機(jī)相機(jī)圖像傳感器的尺寸是dmax=7176X5319卩m,像素大小為1.8卩m,但能夠分辨和識別的二維碼的最小尺寸是dmin=354X1.8卩m=0.6372mm。

本文選用精度為40卩m的光繪機(jī)來制作微型二維碼，微型二維碼的模塊數(shù)為25X25,則微型二維碼碼塊尺寸d=25X40卩m=1mm。由于手機(jī)相機(jī)能夠分辨和識別的微型二維碼的最小尺寸為0.6372mm,而我們要制作的二維碼碼塊尺寸大于最小尺寸，因此滿足要求。

由于二維碼像尺寸d'與探測距離u之間具有關(guān)系d'=fca/u,所以分辨條件d'Ndm,”給出系統(tǒng)的接收距離范圍是：

u≤fca/dmin=5.9×2.11/0.6372=12.45/0.6372=19.54mm即探測距離u最大值是19.54mm。若探測時超過這個探測距離最大值，則圖像無法正確解碼出。

本文設(shè)計的集成化發(fā)射端如圖3所示，其中小透鏡用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)來制作，折射率為1.49,小透鏡球冠高度h=r,孔徑直徑D=2r,微型二維碼置于小透鏡的焦面上，于是得出單球面折射透鏡的焦距［9］:

fb=nr/(n—1)=3r

根據(jù)得出的u≤fca/dmin和fb=3r，有：

同時還要考慮微型二維碼圖像放大，有：

得r<1.9mm。所以本文可取r=1.8mm，則要制作的小透鏡焦距fb=5.4mm。

根據(jù)上面的數(shù)據(jù)所設(shè)計出的微型二維碼陣列和小透鏡陣列部分如圖4所示。微型二維碼陣列為39×54，碼塊尺寸為1mm，兩碼塊之間的距離為0.5mm；小透鏡陣列為13×18，球冠高度為1.8mm，孔徑大小為3.6mm，焦距為5.4mm，兩透鏡之間的距離為0.9mm；兩小透鏡的中心間距、微型二維碼碼塊與相鄰第三個碼塊的中心間距都為4.5mm。

2.2微型二維碼的制作

現(xiàn)將南京郵電大學(xué)使用軟件PsQREdit_chs_v2.42按照糾錯能力15%轉(zhuǎn)換為QR二維條碼，然后用激光光繪機(jī)來制作微型二維碼，其制作成的一張微型二維碼陣列部分圖如圖5所示。

2.3小透鏡陣列的制作

小透鏡陣列是一系列口徑在幾個毫米的小型透鏡按一定排列組成的陣列[10]。由天津微納制造技術(shù)有限公司采用靜態(tài)鑄塑法制作的小透鏡陣列如圖6所示，所制作成的小透鏡陣列為13×18規(guī)格，小透鏡孔徑為3.6mm，焦距為5.4mm，兩透鏡之間的間隔為0.4mm。靜態(tài)鑄塑法又稱澆鑄法，是指將已準(zhǔn)備好的澆鑄原料注入一定的模具中，使其發(fā)生聚合反應(yīng)而固化，從而得到與模具型腔相似的制件。

2.4微型二維碼與小透鏡的集成

我們先把495膠水涂抹在13×18小透鏡陣列上，接著再把微型二維碼陣列對整地粘貼在小透鏡陣列上，最后采用CO2激光切割機(jī)來切割它們，切割完后就能得到一個個微型二維碼與小透鏡的集成化小單元。3實驗結(jié)果

實驗時，可用LED作為光源，并調(diào)整手機(jī)相機(jī)與小透鏡之間的距離，穩(wěn)定后用手機(jī)相機(jī)讀取微型二維碼，之后再用軟件PsQREdit_chs_v2.42解碼，看看解碼結(jié)果是否正確。實驗時，分別調(diào)整手機(jī)相機(jī)與小透鏡之間的距離為10mm、19.54mm、25mm。

當(dāng)手機(jī)相機(jī)與小透鏡之間的距離為10mm時，讀取結(jié)果和解碼結(jié)果分別如圖7所示。這時，微型二維碼在手機(jī)相機(jī)的CMOS上成像變大，圖像較模糊，但是解碼結(jié)果和編碼信息是一樣的，證明所設(shè)計的微光學(xué)標(biāo)簽可行。

當(dāng)手機(jī)相機(jī)與小透鏡之間的距離為19.54mm時，讀取結(jié)果和解碼結(jié)果分別如圖8所示。這時，微型二維碼在手機(jī)相機(jī)的CMOS上成像變小，圖像最清晰，而且解碼結(jié)果和編碼信息是一樣的，證明了我們設(shè)計的微光學(xué)標(biāo)簽可行。

當(dāng)手機(jī)相機(jī)與小透鏡之間的距離為25mm時，讀取結(jié)果和解碼結(jié)果分別如圖9所示。這時，微型二維碼在手機(jī)相機(jī)的CMOS上成像變得更小，圖像模糊，而且解碼結(jié)果不成功，說明了超出最遠(yuǎn)探測距離時，用手機(jī)相機(jī)將無法識讀微型二維碼。

4結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為了能夠低成本、大規(guī)模地應(yīng)用微光學(xué)標(biāo)簽，微光學(xué)標(biāo)簽的發(fā)射端采用集成化方式設(shè)計，從而能使微光學(xué)標(biāo)簽在社會上得到普及應(yīng)用。同時，接收端采用手機(jī)相機(jī)進(jìn)行接收，這樣能使人們更方便地知道微光學(xué)標(biāo)簽信息。微光學(xué)標(biāo)簽與手機(jī)相機(jī)的結(jié)合是信息技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，所以微光學(xué)標(biāo)簽普及應(yīng)用之后，手機(jī)相機(jī)就不僅僅是拍攝圖像的工具，同時也可以是信息傳遞的工具。