无源微型可视化光学标签系统的设计

0 引 言

目前，随着物联网技术的应用，各种标签正逐渐走进人们日常生活的各个领域，给人们的工作和生活带来巨大的变化，一维条码已经无法满足物品标签信息量增加及体积微型化的要求。为了顺应发展，以满足千变万化的信息表示需要，二维码已经被人们用在各种各样的场合，也为越来越多的人所认识，并成为较热门的研究领域。二维码可高密度编码，信息容量大，编码范围广，可以把图片、声音、文字、签字、指纹以及多种语言文字和图像数据表示出来。然而，可视标签占用物理面积大和只可近距离读取的不足，却一直影响其发展。

2009年，美国麻省理工学院Media Lab研究人员发明出一种光学标签，它储存的数据比同尺寸条形码要多数百万。为此，本文根据Bokode原理[1]，以可视化光学标签系统为依据[2]，设计了一种无源微型可视化光学标签系统，该系统借由测量发射端发出的光线亮度和角度来形成数据，并通过相机调焦无穷远进行拍照来获得微型可视化标签中的信息。这种微型可视化光学标签比传统条形码小很多。该系统由发射端、无线空间信道和接收端组成。其中，作为重要制作单元的发射端由被动光源、二维码掩模和透镜组成，接收端则采用拍摄及时性较强的手机相机为主体，同时也可辅以其他光学器件。

1 无源微型可视化光学标签系统的结构原理

本设计的无源微型可视化光学标签系统结构包括三个部分:发射端、无线信道（光传输）和接收端。系统将反射膜反射的光作为照明光源，并在物镜前焦面固定微型二维码阵列，再将三者集成于微型器件中，作为整个系统的发射端，然后通过在手机相机前添加光学器件，调焦进行拍照来获得原始的二维码。其系统结构框图如图1所示。

图1 无源微型可视化光学标签系统结构原理框图

2 发射端的设计

无源微型可视化光学标签系统的发射端如图2所示。由图可见，该发射端由反射膜、二维码标签、透镜等三部分组成。其中，反射膜可采用镀铝膜或者表面涂敷荧光粉的薄膜，二维码标签摆放在透镜的前焦距位置。这样，平行光入射后，经过二维码标签、反射膜的反射后，再经过透镜，就可以仍然实现平行光出射[3]。

图2 无源微型可视化光学标签系统发射端

通过使用反射膜的被动发光方式，可以将一组平行入射光反射后，仍然以平行光经透镜出射。这样首先是节约了发光所消耗的能源，其次是方便了发射端的集成，最后是不改变光学标签的光路，从而使被动发光方式成为可能。

3 辅助接收模块

中国移动使用的QR码标准为GB/T 18284-2000。该标准中最高容量的版本的模块数为177×177。为满足终端装置的识别，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 12.5万个。

按二维码读取需求的354×354，截取单元的最小边长约为d＝ 0.6372 mm。若比这个边长尺寸更小，则不能正确识读二维码。另外，要求光圈F值为2.8，焦距f为5.9 mm。这样，由:

可得出镜头光圈孔径a为2.11 mm。在传感器上，二维码成像的大小为:

其中，由b2 =d求得的相机镜头与标签透镜的距离u=13.815 mm。

因为直接使用手机相机的探测距离较短，而且发射端采用的是被动方式，所以需要添加辅助模块。

3.1 辅助照明

辅助照明光源的作用就是使经反射膜反射、二维码标签透射后进入镜头到达CMOS图像传感器的光能够达到对比度要求，让后续分析软件能够正确辨别二维码的深浅色模块以正确编译二维码。可以使用相机闪光灯来对微型可视化标签透镜背后的掩模图像进行照明，并且通过反射膜将光反射到相机透镜，但是由于手机相机的探测距离较近（约为1.4 cm），在这种距离之下，闪光灯射出的光线不能近似认为是正入射的光[4]，所以，闪光灯不在微型二维码光学标签系统的光轴上，所发出的光是斜入射标签的透镜的，不一定能够聚到标签的二维码图案上。事实上，即使能够照到二维码图案上，返回的光也不能进入镜头并到达CMOS图像传感器。所以，在这种情况下，手机的闪光灯作为辅助光源是不合适的。

为此，应当在系统中添加半透半反膜与辅助照明光源，使得辅助光能够正入射到标签并使反射光正入射镜头，最终到达CMOS图像处理器。

3.2 辅助手机相机成像

由于制作的系统经手机探测距离较短，不符合远距离拍摄的要求，所以，经过实验改进，本设计决定在传输信道上添加一伽利略望远系统[5]，使得二维码标签成像于手机的CMOS图像传感器上，并适当增加探测距离。

伽利略望远系统是由一块正透镜和一块负透镜组成的，可以增大识别距离，同时，伽利略望远系统结构简单，筒长较短，且较为轻便，可以组装成一个在手机相机镜头前的小装置，而且物体成正立的像。由于正、负透镜组合可以消除球差，因此，它的光学系统性能更好。伽利略望远系统与手机透镜组成的透镜组简图如图3所示。

图3 透镜组简图

在本设计的伽利略望远系统中，正透镜的焦距f1 =25 mm，通光孔径D1=20 mm，负透镜的焦距f2=-2.5 mm，通光孔径D2=2 mm，系统的视放大率Г=10，这样，望远系统与手机透镜组成的透镜组的总焦距f'=f×Г=59 mm，即透镜组的主平面H'到相机透镜焦点的距离为59 mm。假设望远系统负透镜到手机透镜的距离d'=3 mm，则透镜组的主平面H'到望远系统凸透镜的距离为:

根据以上数据计算结果，通过加入辅助伽利略望远系统后的手机接收端探测距离为:

发射端透镜到手机接收端辅助模块第一个透镜的实际距离为u'+V=16.58 cm。因此，可以理解为实际探测距离增大为16.58 cm。

4 无源微型可视化光学标签的实验结果

本文所设计的无源微型可视化光学标签系统图如图4所示。通过选择适当元器件，图5给出了笔者在实验室搭建的系统实物图。

图4 无源微型可视化光学标签系统图

图5 系统实物图

通过添加手机相机辅助接收模块，使辅助光源发出的光经过半透半反膜的反射后再进入发射端，然后经过反射膜的反射，重新进入手机的接收端。这样，在满足光路可行的同时，就增加了手机相机的拍摄距离。通过实验，在发射端使用光绘机制作的0.87 mm尺寸的二维码在15 cm距离时拍摄到的二维码图如图6所示。

图6 手机拍摄的二维码图

使用Psytec QR Code Editor 软件，并将其纠错能力调整在25%的情况下，可对所拍摄的二维码成功进行解码，图7所示是二维码解码软件截屏图，由图可见，其解码内容为“南京邮电大学”。

5 结 语

通过对手机相机的改进，并在识别无源微光学标签的时候通过加半透半反镜、伽利略望远系统，提高了远距离时手机相机对无源微光学标签的识别精确度，从而为微光学标签的普及推广创造了条件。