集成化微光学标签系统的设计与制作

摘要：随着物联网技术的广泛应用和手机的普及，为了能低成本、大规模地应用微光学标签，文章根据Bokode标签原理，设计并制作了一种集成化微光学标签系统。它的发射端采用集成化方式，即微型二维码与小透镜阵列集成，接收端可采用普通手机相机接收微型二维码图像，并利用手机中的解码软件来解码。
关键词：集成化；微光学标签；微型二维码；小透镜阵列

0 引言
随着科学技术的不断发展，各种条形码正快速地进入人们日常生活和工作的各个方面，给人们的生活和工作带来了极大的便利。目前，一维条码和射频识别(RFID)在社会上应用非常广泛，但随着应用领域的不断扩大，一维条码和RFID也开始显现出了它们的不足。例如，存储容量小，安全性低，体积大，价格贵等。在2009年，美国麻省理工学院多媒体实验室研究人员发明出了一种光学标签，它存储的数据要比同样尺寸条形码多数百万，而且还没有RFID的安全疑虑，同时这种名为Bokode标签的大小只有3 mm，比传统条形码小很多。在2011年，南京邮电大学光电工程学院设计并制作了有源和无源微光学标签系统。本文根据Bokode标签原理设计并制作一种集成化微光学标签系统，其发射端采用集成化方式，接收端用手机相机接收。该系统能低成本、大规模地应用微光学标签。

1 微光学标签系统结构与原理
微光学标签系统结构如图1所示，其主要包括集成化发射端和接收端两个部分。集成化发射端由LED、微型二维码、小透镜组成；接收端采用手机相机接收微型二维码图像，并利用手机中解码软件来解码。由于手机相机焦距和光圈都已确定，要满足标签微型化及手机相机接收要求，我们主要设计发射端，即微光学标签。

微光学标签系统原理图如图2所示。微光学标签小透镜为孔径光阑，其孔径为b，焦距为fb，微型二维码位于微光学标签小透镜的物方焦面上；手机相机物镜为视场光阑，其孔径为a，焦距为fc；u为探测距离。在文献中，由于公式的推导是基于相机探测距离u远远大于fb的情况，没有考虑到近距离探测情况，不具有普遍性，所以本文下面将具体探讨一般情况下公式的推导。在一般情况下，需要考虑到视场光阑的因素，视场光阑通过其前面小透镜在物空间中成的像a’为入窗，它限制了能观测到的微型二维码。设能够看到的微型二维码码块尺寸为d，入窗与微型二维码的距离为x’，F到相机物镜中心的距离为x。


2 集成化发射端的设计与制作
2．1 微光学标签的设计
中国移动使用的QR Code标准为GB／T 18284-2000，该标准中的最高容量版本40的模块数为177×177。为满足终端装置即手机的识读，每个模块至少占4个像素点，则终端图像传感器像素点至少为：
(177×2)×(177X2)=354×354=125 316
我们选用诺基亚N8手机作为标签的接收器，该手机图像传感器的分辨率为4 000X3 000=1 200万，因而有足够的分辨率冗余度。
手机相机的光圈F为2．8，焦距fc的大小为5．9mm，根据公式F=fc／a可知手机相机镜头的光圈孔径为a=fc／F=2．11 mm。手机相机图像传感器的尺寸是dmax=7 176x5 319 μm，像素大小为1．8 μm，但能够分辨和识别的二维码的最小尺寸是dmin=354×1．8 μm=0．637 2 mm。
本文选用精度为40 μm的光绘机来制作微型二维码，微型二维码的模块数为25x25，则微型二维码码块尺寸d=25X40 μm=1 mm。由于手机相机能够分辨和识别的微型二维码的最小尺寸为0．637 2 mm，而我们要制作的二维码码块尺寸大于最小尺寸，因此满足要求。