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。
    由于二维码像尺寸d’与探测距离u之间具有关系d’=fca／u，所以分辨条件d’≥dmin给出系统的接收距离范围是：
    u≤fca／dmin=5．9×2．11／0．637 2=12．45／0．637 2=19．54 mm
    即探测距离u最大值是19．54 mm。若探测时超过这个探测距离最大值，则图像无法正确解码出。

    本文设计的集成化发射端如图3所示，其中小透镜用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)来制作，折射率为1．49，小透镜球冠高度h=r，孔径直径D=2r，微型二维码置于小透镜的焦面上，于是得出单球面折射透镜的焦距：
   
    得r<1．9 mm。所以本文可取r=1．8 mm，则要制作的小透镜焦距fb=5．4 mm。

    根据上面的数据所设计出的微型二维码阵列和小透镜阵列部分如图4所示。微型二维码阵列为39X54，码块尺寸为1 mm，两码块之间的距离为0．5 mm；小透镜阵列为13X 18，球冠高度为1．8 mm，孔径大小为3．6 mm，焦距为5．4 mm，两透镜之间的距离为0．9 mm；两小透镜的中心间距、微型二维码码块与相邻第三个码块的中心间距都为4．5 mm。
2．2 微型二维码的制作
    现将南京邮电大学使用软件PsQREdit_chs_v2．42按照纠错能力15％转换为QR二维条码，然后用激光光绘机来制作微型二维码，其制作成的一张微型二维码阵列部分图如图5所示。

2．3 小透镜阵列的制作
    小透镜阵列是一系列口径在几个毫米的小型透镜按一定排列组成的阵列。由天津微纳制造技术有限公司采用静态铸塑法制作的小透镜阵列如图6所示，所制作成的小透镜阵列为13×18规格，小透镜孔径为3．6 mm，焦距为5．4 mm，两透镜之间的间隔为0．4 mm。静态铸塑法又称浇铸法，是指将已准备好的浇铸原料注入一定的模具中，使其发生聚合反应而固化，从而得到与模具型腔相似的制件。

2．4 微型二维码与小透镜的集成
    我们先把495胶水涂抹在13×18小透镜阵列上，接着再把微型二维码阵列对整地粘贴在小透镜阵列上，最后采用CO2激光切割机来切割它们，切割完后就能得到一个个微型二维码与小透镜的集成化小单元。

3 实验结果
    实验时，可用LED作为光源，并调整手机相机与小透镜之间的距离，稳定后用手机相机读取微型二维码，之后再用软件PsQREdit chs v2．42解码，看看解码结果是否正确。实验时，分别调整手机相机与小透镜之间的距离为10 mm、19．54 mm、25mm。
    当手机相机与小透镜之间的距离为10 mm时，读取结果和解码结果分别如图7所示。这时，微型二维码在手机相机的CMOS上成像变大，图像较模糊，但是解码结果和编码信息是一样的，证明所设计的微光学标签可行。

    当手机相机与小透镜之间的距离为19．54 mm时，读取结果和解码结果分别如图8所示。这时，微型二维码在手机相机的CMOS上成像变小，图像最清晰，而且解码结果和编码信息是一样的，证明了我们设计的微光学标签可行。

    当手机相机与小透镜之间的距离为25 mm时，读取结果和解码结果分别如图9所示。这时，微型二维码在手机相机的CMOS上成像变得更小，图像模糊，而且解码结果不成功，说明了超出最远探测距离时，用手机相机将无法识读微型二维码。

4 结语
    随着物联网技术的广泛应用，为了能够低成本、大规模地应用微光学标签，微光学标签的发射端采用集成化方式设计，从而能使微光学标签在社会上得到普及应用。同时，接收端采用手机相机进行接收，这样能使人们更方便地知道微光学标签信息。微光学标签与手机相机的结合是信息技术发展的结果，所以微光学标签普及应用之后，手机相机就不仅仅是拍摄图像的工具，同时也可以是信息传递的工具。