集成化微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和手機(jī)的普及，為了能低成本、大規(guī)模地應(yīng)用微光學(xué)標(biāo)簽，文章根據(jù)Bokode標(biāo)簽原理，設(shè)計(jì)并制作了一種集成化微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)。它的發(fā)射端采用集成化方式，即微型二維碼與小透鏡陣列集成，接收端可采用普通手機(jī)相機(jī)接收微型二維碼圖像，并利用手機(jī)中的解碼軟件來解碼。
關(guān)鍵詞：集成化；微光學(xué)標(biāo)簽；微型二維碼；小透鏡陣列

0 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€(gè)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(jià)格貴等。在2009年，美國麻省理工學(xué)院多媒體實(shí)驗(yàn)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(shí)這種名為Bokode標(biāo)簽的大小只有3 mm，比傳統(tǒng)條形碼小很多。在2011年，南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院設(shè)計(jì)并制作了有源和無源微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)。本文根據(jù)Bokode標(biāo)簽原理設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)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；u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。


2 集成化發(fā)射端的設(shè)計(jì)與制作
2．1 微光學(xué)標(biāo)簽的設(shè)計(jì)
    中國移動使用的QR Code標(biāo)準(zhǔn)為GB／T 18284-2000，該標(biāo)準(zhǔn)中的最高容量版本40的模塊數(shù)為177×177。為滿足終端裝置即手機(jī)的識讀，每個(gè)模塊至少占4個(gè)像素點(diǎn)，則終端圖像傳感器像素點(diǎn)至少為：
    (177×2)×(177X2)=354×354=125 316
    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4 000X3 000=1 200萬，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fc的大小為5．9mm，根據(jù)公式F=fc／a可知手機(jī)相機(jī)鏡頭的光圈孔徑為a=fc／F=2．11 mm。手機(jī)相機(jī)圖像傳感器的尺寸是dmax=7 176x5 319 μm，像素大小為1．8 μm，但能夠分辨和識別的二維碼的最小尺寸是dmin=354×1．8 μm=0．637 2 mm。
    本文選用精度為40 μm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 μm=1 mm。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0．637 2 mm，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’≥dmin給出系統(tǒng)的接收距離范圍是：
    u≤fca／dmin=5．9×2．11／0．637 2=12．45／0．637 2=19．54 mm
    即探測距離u最大值是19．54 mm。若探測時(shí)超過這個(gè)探測距離最大值，則圖像無法正確解碼出。

    本文設(shè)計(jì)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：
   
    得r<1．9 mm。所以本文可取r=1．8 mm，則要制作的小透鏡焦距fb=5．4 mm。

    根據(jù)上面的數(shù)據(jù)所設(shè)計(jì)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39X54，碼塊尺寸為1 mm，兩碼塊之間的距離為0．5 mm；小透鏡陣列為13X 18，球冠高度為1．8 mm，孔徑大小為3．6 mm，焦距為5．4 mm，兩透鏡之間的距離為0．9 mm；兩小透鏡的中心間距、微型二維碼碼塊與相鄰第三個(gè)碼塊的中心間距都為4．5 mm。
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(cuò)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(gè)毫米的小型透鏡按一定排列組成的陣列。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3．6 mm，焦距為5．4 mm，兩透鏡之間的間隔為0．4 mm。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(gè)個(gè)微型二維碼與小透鏡的集成化小單元。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(shí)驗(yàn)時(shí)，分別調(diào)整手機(jī)相機(jī)與小透鏡之間的距離為10 mm、19．54 mm、25mm。
    當(dāng)手機(jī)相機(jī)與小透鏡之間的距離為10 mm時(shí)，讀取結(jié)果和解碼結(jié)果分別如圖7所示。這時(shí)，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(jì)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19．54 mm時(shí)，讀取結(jié)果和解碼結(jié)果分別如圖8所示。這時(shí)，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(jì)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25 mm時(shí)，讀取結(jié)果和解碼結(jié)果分別如圖9所示。這時(shí)，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(shí)，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(jì)，從而能使微光學(xué)標(biāo)簽在社會上得到普及應(yīng)用。同時(shí)，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(shí)也可以是信息傳遞的工具。