集成化微光學標簽系統的設計與制作

摘要：隨著物聯網技術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標簽系統。它的發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解碼。
關鍵詞：集成化；微光學標簽；微型二維碼；小透鏡陣列

0 引言
隨著科學技術的不斷發展，各種條形碼正快速地進入人們日常生活和工作的各個方面，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)在社會上應用非常廣泛，但隨著應用領域的不斷擴大，一維條碼和RFID也開始顯現出了它們的不足。例如，存儲容量小，安全性低，體積大，價格貴等。在2009年，美國麻省理工學院多媒體實驗室研究人員發明出了一種光學標簽，它存儲的數據要比同樣尺寸條形碼多數百萬，而且還沒有RFID的安全疑慮，同時這種名為Bokode標簽的大小只有3 mm，比傳統條形碼小很多。在2011年，南京郵電大學光電工程學院設計并制作了有源和無源微光學標簽系統。本文根據Bokode標簽原理設計并制作一種集成化微光學標簽系統，其發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標簽。

1 微光學標簽系統結構與原理
微光學標簽系統結構如圖1所示，其主要包括集成化發射端和接收端兩個部分。集成化發射端由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解碼。由于手機相機焦距和光圈都已確定，要滿足標簽微型化及手機相機接收要求，我們主要設計發射端，即微光學標簽。

微光學標簽系統原理圖如圖2所示。微光學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標簽小透鏡的物方焦面上；手機相機物鏡為視場光闌，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 集成化發射端的設計與制作
2．1 微光學標簽的設計
中國移動使用的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。為滿足終端裝置即手機的識讀，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)×(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，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，因此滿足要求。