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(shí)別(RFID)在社會(huì)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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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。