集成化微光學(xué)標簽系統的設計與制作

摘要：隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應用和手機的普及，為了能低成本、大規模地應用微光學(xué)標簽，文章根據Bokode標簽原理，設計并制作了一種集成化微光學(xué)標簽系統。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相機接收微型二維碼圖像，并利用手機中的解碼軟件來(lái)解碼。
關(guān)鍵詞：集成化；微光學(xué)標簽；微型二維碼；小透鏡陣列

0 引言
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種條形碼正快速地進(jìn)入人們日常生活和工作的各個(gè)方面，給人們的生活和工作帶來(lái)了極大的便利。目前，一維條碼和射頻識別(RFID)在社會(huì )上應用非常廣泛，但隨著(zhù)應用領(lǐng)域的不斷擴大，一維條碼和RFID也開(kāi)始顯現出了它們的不足。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)驗室研究人員發(fā)明出了一種光學(xué)標簽，它存儲的數據要比同樣尺寸條形碼多數百萬(wàn)，而且還沒(méi)有RFID的安全疑慮，同時(shí)這種名為Bokode標簽的大小只有3 mm，比傳統條形碼小很多。在2011年，南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院設計并制作了有源和無(wú)源微光學(xué)標簽系統。本文根據Bokode標簽原理設計并制作一種集成化微光學(xué)標簽系統，其發(fā)射端采用集成化方式，接收端用手機相機接收。該系統能低成本、大規模地應用微光學(xué)標簽。

1 微光學(xué)標簽系統結構與原理
微光學(xué)標簽系統結構如圖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；接收端采用手機相機接收微型二維碼圖像，并利用手機中解碼軟件來(lái)解碼。由于手機相機焦距和光圈都已確定，要滿(mǎn)足標簽微型化及手機相機接收要求，我們主要設計發(fā)射端，即微光學(xué)標簽。

微光學(xué)標簽系統原理圖如圖2所示。微光學(xué)標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)標簽小透鏡的物方焦面上；手機相機物鏡為視場(chǎng)光闌，其孔徑為a，焦距為fc；u為探測距離。在文獻中，由于公式的推導是基于相機探測距離u遠遠大于fb的情況，沒(méi)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。在一般情況下，需要考慮到視場(chǎng)光闌的因素，視場(chǎng)光闌通過(guò)其前面小透鏡在物空間中成的像a’為入窗，它限制了能觀(guān)測到的微型二維碼。設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到相機物鏡中心的距離為x。


2 集成化發(fā)射端的設計與制作
2．1 微光學(xué)標簽的設計
中國移動(dòng)使用的QR Code標準為GB／T 18284-2000，該標準中的最高容量版本40的模塊數為177×177。為滿(mǎn)足終端裝置即手機的識讀，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手機作為標簽的接收器，該手機圖像傳感器的分辨率為4 000X3 000=1 200萬(wàn)，因而有足夠的分辨率冗余度。
手機相機的光圈F為2．8，焦距fc的大小為5．9mm，根據公式F=fc／a可知手機相機鏡頭的光圈孔徑為a=fc／F=2．11 mm。手機相機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的光繪機來(lái)制作微型二維碼，微型二維碼的模塊數為25x25，則微型二維碼碼塊尺寸d=25X40 μm=1 mm。由于手機相機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(mǎn)足要求。