引言

目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的應用，各種標簽正逐漸走進人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領域，給人們的工作和生活帶來巨大的變化,一維條碼已經(jīng)無法滿足物品標簽信息量增加及體積微型化的要求。為了順應發(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識,并成為較熱門的研究領域。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，美國麻省理工學院MediaLab研究人員發(fā)明出一種光學標簽，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，以可視化光學標簽系統(tǒng)為依據(jù)，設計了一種無源微型可視化光學標簽系統(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)，并通過相機調(diào)焦無窮遠進行拍照來獲得微型可視化標簽中的信息。這種微型可視化光學標簽比傳統(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的手機相機為主體，同時也可輔以其他光學器件。

1  無源微型可視化光學標簽系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

本設計的無源微型可視化光學標簽系統(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，然后通過在手機相機前添加光學器件，調(diào)焦進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)射端的設計

無源微型可視化光學標簽系統(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標簽系統(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，最后是不改變光學標簽的光路，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碼標準為GB/T18284-2000o該標準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求得的相機鏡頭與標簽透鏡的距離祖u=13.815mm。

因為直接使用手機相機的探測距離較短，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、二維碼標簽透射后進入鏡頭到達CMOS圖像傳感器的光能夠達到對比度要求，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。可以使用相機閃光燈來對微型可視化標簽透鏡背后的掩模圖像進行照明，并且通過反射膜將光反射到相機透鏡，但是由于手機相機的探測距離較近（約為1.4cm）,在這種距離之下，閃光燈射出的光線不能近似認為是正入射的光，所以，閃光燈不在微型二維碼光學標簽系統(tǒng)的光軸上,所發(fā)出的光是斜入射標簽的透鏡的，不一定能夠聚到標簽的二維碼圖案上。事實上，即使能夠照到二維碼圖案上，返回的光也不能進入鏡頭并到達CMOS圖像傳感器。所以，在這種情況下，手機的閃光燈作為輔助光源是不合適的。

為此，應當在系統(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簽并使反射光正入射鏡頭，最終到達CMOS圖像處理器。

3.2  輔助手機相機成像

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

伽利略望遠系統(tǒng)是由一塊正透鏡和一塊負透鏡組成的,可以增大識別距離，同時，伽利略望遠系統(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相機鏡頭前的小裝置,而且物體成正立的像。由于正、負透鏡組合可以消除球差,因此，它的光學系統(tǒng)性能更好。伽利略望遠系統(tǒng)與手機透鏡組成的透鏡組簡圖如圖3所示。

圖3     透鏡組簡圖

在本設計的伽利略望遠系統(tǒng)中，正透鏡的焦距f1=25mm,通光孔徑D1=20 mm，,負透鏡的焦距f=-2.5mm,通光孔徑D₂=2mm,系統(tǒng)的視放大率V=10,這樣，望遠系統(tǒng)與手機透鏡組成的透鏡組的總焦距f'=fxr=59mm,即透鏡組的主平面H'到相機透鏡焦點的距離為59mm。假設望遠系統(tǒng)負透鏡到手機透鏡的距離d'=3mm,則透鏡組的主平面H到望遠系統(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系統(tǒng)后的手機接收端探測距離為：

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標簽的實驗結(jié)果

本文所設計的無源微型可視化光學標簽系統(tǒng)圖如圖4所示。通過選擇適當元器件，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標簽系統(tǒng)圖手機CMOS透鏡組

圖5     系統(tǒng)實物圖

通過添加手機相機輔助接收模塊，使輔助光源發(fā)出的光經(jīng)過半透半反膜的反射后再進入發(fā)射端，然后經(jīng)過反射膜的反射，重新進入手機的接收端。這樣，在滿足光路可行的同時,就增加了手機相機的拍攝距離。通過實驗，在發(fā)射端使用光繪機制作的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”

5  結(jié)語

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

20210903_61323ea7c9efe__無源微型可視化光學標簽系統(tǒng)的設計