引言

目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，各種標(biāo)簽正逐漸走進(jìn)人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域，給人們的工作和生活帶來巨大的變化,一維條碼已經(jīng)無法滿足物品標(biāo)簽信息量增加及體積微型化的要求。為了順應(yīng)發(fā)展，以滿足千變?nèi)f化的信息表示需要，二維碼已經(jīng)被人們用在各種各樣的場合，也為越來越多的人所認(rèn)識,并成為較熱門的研究領(lǐng)域。二維碼可高密度編碼，信息容量大,編碼范圍廣，可以把圖片、聲音、文字、簽字、指紋以及多種語言文字和圖像數(shù)據(jù)表示出來。然而，可視標(biāo)簽占用物理面積大和只可近距離讀取的不足，卻一直影響其發(fā)展。

2009年，美國麻省理工學(xué)院MediaLab研究人員發(fā)明出一種光學(xué)標(biāo)簽，它儲存的數(shù)據(jù)比同尺寸條形碼要多數(shù)百萬。為此，本文根據(jù)Bokode原理，以可視化光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)為依據(jù)，設(shè)計了一種無源微型可視化光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)，該系統(tǒng)借由測量發(fā)射端發(fā)出的光線亮度和角度來形成數(shù)據(jù)，并通過相機(jī)調(diào)焦無窮遠(yuǎn)進(jìn)行拍照來獲得微型可視化標(biāo)簽中的信息。這種微型可視化光學(xué)標(biāo)簽比傳統(tǒng)條形碼小很多。該系統(tǒng)由發(fā)射端、無線空間信道和接收端組成。其中，作為重要制作單元的發(fā)射端由被動光源、二維碼掩模和透鏡組成，接收端則采用拍攝及時性較強(qiáng)的手機(jī)相機(jī)為主體，同時也可輔以其他光學(xué)器件。

1  無源微型可視化光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

本設(shè)計的無源微型可視化光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括三個部分：發(fā)射端、無線信道(光傳輸)和接收端。系統(tǒng)將反射膜反射的光作為照明光源，并在物鏡前焦面固定微型二維碼陣列，再將三者集成于微型器件中，作為整個系統(tǒng)的發(fā)射端，然后通過在手機(jī)相機(jī)前添加光學(xué)器件，調(diào)焦進(jìn)行拍照來獲得原始的二維碼。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2  發(fā)射端的設(shè)計

無源微型可視化光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的發(fā)射端如圖2所示。由圖可見，該發(fā)射端由反射膜、二維碼標(biāo)簽、透鏡等三部分組成。其中，反射膜可采用鍍鋁膜或者表面涂敷熒光粉的薄膜,二維碼標(biāo)簽擺放在透鏡的前焦距位置。這樣，平行光入射后,經(jīng)過二維碼標(biāo)簽、反射膜的反射后，再經(jīng)過透鏡，就可以仍然實現(xiàn)平行光出射。

圖2    無源微型可視化光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)發(fā)射端

通過使用反射膜的被動發(fā)光方式，可以將一組平行入射光反射后，仍然以平行光經(jīng)透鏡出射。這樣首先是節(jié)約了發(fā)光所消耗的能源，其次是方便了發(fā)射端的集成，最后是不改變光學(xué)標(biāo)簽的光路，從而使被動發(fā)光方式成為可能。

3  輔助接收模塊

中國移動使用的QR碼標(biāo)準(zhǔn)為GB/T18284-2000o該標(biāo)準(zhǔn)中最高容量的版本的模塊數(shù)為177X177。為滿足終端裝置的識別，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12.5萬個。

按二維碼讀取需求的354X354,截取單元的最小邊長約為d=0.6372mm。若比這個邊長尺寸更小，則不能正確識讀二維碼。另外，要求光圈F值為2.8，焦距f為5.9mm。這樣，由：

光圈 F 值 = 鏡頭焦距 / 鏡頭光圈孔徑 (1)

可得出鏡頭光圈孔徑a為2.11mm。在傳感器上，二維碼成像的大小為:

其中，由b2=2d求得的相機(jī)鏡頭與標(biāo)簽透鏡的距離祖u=13.815mm。

因為直接使用手機(jī)相機(jī)的探測距離較短，而且發(fā)射端采用的是被動方式，所以需要添加輔助模塊。

3.1  輔助照明

輔助照明光源的作用就是使經(jīng)反射膜反射、二維碼標(biāo)簽透射后進(jìn)入鏡頭到達(dá)CMOS圖像傳感器的光能夠達(dá)到對比度要求，讓后續(xù)分析軟件能夠正確辨別二維碼的深淺色模塊以正確編譯二維碼?？梢允褂孟鄼C(jī)閃光燈來對微型可視化標(biāo)簽透鏡背后的掩模圖像進(jìn)行照明，并且通過反射膜將光反射到相機(jī)透鏡，但是由于手機(jī)相機(jī)的探測距離較近（約為1.4cm）,在這種距離之下，閃光燈射出的光線不能近似認(rèn)為是正入射的光，所以，閃光燈不在微型二維碼光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的光軸上,所發(fā)出的光是斜入射標(biāo)簽的透鏡的，不一定能夠聚到標(biāo)簽的二維碼圖案上。事實上，即使能夠照到二維碼圖案上，返回的光也不能進(jìn)入鏡頭并到達(dá)CMOS圖像傳感器。所以，在這種情況下，手機(jī)的閃光燈作為輔助光源是不合適的。

為此，應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)中添加半透半反膜與輔助照明光源,使得輔助光能夠正入射到標(biāo)簽并使反射光正入射鏡頭，最終到達(dá)CMOS圖像處理器。

3.2  輔助手機(jī)相機(jī)成像

由于制作的系統(tǒng)經(jīng)手機(jī)探測距離較短，不符合遠(yuǎn)距離拍攝的要求，所以，經(jīng)過實驗改進(jìn)，本設(shè)計決定在傳輸信道上添加一伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)，使得二維碼標(biāo)簽成像于手機(jī)的CMOS圖像傳感器上，并適當(dāng)增加探測距離。

伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)是由一塊正透鏡和一塊負(fù)透鏡組成的,可以增大識別距離，同時，伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，筒長較短，且較為輕便，可以組裝成一個在手機(jī)相機(jī)鏡頭前的小裝置,而且物體成正立的像。由于正、負(fù)透鏡組合可以消除球差,因此，它的光學(xué)系統(tǒng)性能更好。伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)與手機(jī)透鏡組成的透鏡組簡圖如圖3所示。

圖3     透鏡組簡圖

在本設(shè)計的伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，正透鏡的焦距f1=25mm,通光孔徑D1=20 mm，,負(fù)透鏡的焦距f=-2.5mm,通光孔徑D₂=2mm,系統(tǒng)的視放大率V=10,這樣，望遠(yuǎn)系統(tǒng)與手機(jī)透鏡組成的透鏡組的總焦距f'=fxr=59mm,即透鏡組的主平面H'到相機(jī)透鏡焦點的距離為59mm。假設(shè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)負(fù)透鏡到手機(jī)透鏡的距離d'=3mm,則透鏡組的主平面H到望遠(yuǎn)系統(tǒng)凸透鏡的距離為：

V=f'-(f1+f2)-f-d=27.6 mm

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算結(jié)果，通過加入輔助伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)后的手機(jī)接收端探測距離為：

u'=u×Г=13.815 mm×10=13.815 cm

發(fā)射端透鏡到手機(jī)接收端輔助模塊第一個透鏡的實際距離為u'+V=16.58 cm。因此，可以理解為實際探測距離增大為16.58cm。

4  無源微型可視化光學(xué)標(biāo)簽的實驗結(jié)果

本文所設(shè)計的無源微型可視化光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)圖如圖4所示。通過選擇適當(dāng)元器件，圖5給出了筆者在實驗室搭建的系統(tǒng)實物圖。

圖4     無源微型可視化光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)圖手機(jī)CMOS透鏡組

圖5     系統(tǒng)實物圖

通過添加手機(jī)相機(jī)輔助接收模塊，使輔助光源發(fā)出的光經(jīng)過半透半反膜的反射后再進(jìn)入發(fā)射端，然后經(jīng)過反射膜的反射，重新進(jìn)入手機(jī)的接收端。這樣，在滿足光路可行的同時,就增加了手機(jī)相機(jī)的拍攝距離。通過實驗，在發(fā)射端使用光繪機(jī)制作的0.87mm尺寸的二維碼在15cm距離時拍攝到的二維碼圖如圖6所示。

圖6     手機(jī)拍攝的二維碼圖

使用PsytecQRCodeEditor軟件，并將其糾錯能力調(diào)整在25%的情況下，可對所拍攝的二維碼成功進(jìn)行解碼，圖7所示是二維碼解碼軟件截屏圖，由圖可見，其解碼內(nèi)容為“南京郵電大學(xué)”

5  結(jié)語

通過對手機(jī)相機(jī)的改進(jìn)，并在識別無源微光學(xué)標(biāo)簽的時候通過加半透半反鏡、伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)，提高了遠(yuǎn)距離時手機(jī)相機(jī)對無源微光學(xué)標(biāo)簽的識別精確度，從而為微光學(xué)標(biāo)簽的普及推廣創(chuàng)造了條件。

20210903_61323ea7c9efe__無源微型可視化光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計