一種基于環(huán)型孔徑超薄透鏡的微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)與光學(xué)設(shè)計(jì)的技術(shù)領(lǐng)域，適用于手機(jī)鏡頭基于四次反射環(huán)型孔 徑超薄透鏡的接收端，涉及一種微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種基于環(huán)型孔徑超薄透 鏡的微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，標(biāo)簽信息識(shí)別技術(shù)遍布日常生活和工作的各個(gè)領(lǐng) 域，人們因此可以方便地獲取所需信息。微光學(xué)標(biāo)簽作為一種新的傳遞、信息存儲(chǔ)技術(shù)，有 著其它自動(dòng)識(shí)別技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，從一出現(xiàn)就受到很大的關(guān)注。微光學(xué)標(biāo)簽的尺寸只 有毫米量級(jí)，因?yàn)槠渥銐虻男?，與相當(dāng)尺寸的條碼相比，其存儲(chǔ)的信息數(shù)據(jù)量足夠大。并且 其不存在RFID技術(shù)的安全隱患問題，可以很好的應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中實(shí)現(xiàn)信息的識(shí)別。微 光學(xué)標(biāo)簽在手機(jī)的信息交換系統(tǒng)中、在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中以及手勢(shì)識(shí)別中等都會(huì)有很好的應(yīng)用。 [0003] 微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)主要由發(fā)射端、信道和接收端組成。發(fā)射端包括存儲(chǔ)信息的微型 標(biāo)簽碼及一個(gè)小的微型光學(xué)透鏡，信道是空間，接收端是手機(jī)鏡頭及圖像傳感器。發(fā)射端中 微型光學(xué)透鏡和接收端的手機(jī)鏡頭共同構(gòu)成整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，使微型標(biāo)簽碼在通過該光學(xué)系 統(tǒng)后能夠被手機(jī)的圖像傳感器所接收到并能識(shí)別出其中所包含的信息。
[0004] 研究表明，系統(tǒng)能夠正確解碼的接收距離范圍正比于相機(jī)物鏡的孔徑和焦距?，F(xiàn) 有的微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)采用一般手機(jī)鏡頭接收時(shí)，接收距離受到很大限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明需要解決的問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于環(huán)型孔徑超 薄透鏡的微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于環(huán)型孔徑超薄透鏡的微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)，包括發(fā)射端和接收端，發(fā)射端包 括微型標(biāo)簽碼和標(biāo)簽透鏡，微型標(biāo)簽碼位于標(biāo)簽透鏡的前焦平面處；接收端包括四次反射 環(huán)型孔徑超薄透鏡和圖像傳感器，圖像傳感器位于四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡的后焦平面 處，微型標(biāo)簽碼發(fā)出的光線依次經(jīng)過標(biāo)簽透鏡和四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡最終成像在圖 像傳感器上。
[0008] 接收端接收到放大圖像，其放大倍率與四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡的焦距和標(biāo)簽 透鏡的焦距的比值成正比。
[0009] 正確解碼微型標(biāo)簽碼的接收距離與四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡的孔徑及其焦距 的乘積成正比。
[0010] 四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡的前后反射面為多個(gè)高次非球面；
[0011] 非球面上各點(diǎn)相對(duì)頂點(diǎn)沿光軸的線度z由下述公式定義：
[0013] 公式中c = 1/R。，R。代表非球面頂點(diǎn)的曲率；
[0014] k代表二次曲面常數(shù)，
[0015] r代表距離光軸的水平距離，
[0016] ai_an為非球面修正系數(shù)。
[0017] 四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡的基底材料為CaF2。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0019] 本發(fā)明提出的一種基于環(huán)型孔徑超薄透鏡的微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)接收端手機(jī) 鏡頭的焦距大于標(biāo)簽透鏡焦距時(shí)，可以接收到一個(gè)相對(duì)微型標(biāo)簽碼放大的像，其放大倍率 取決于四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡的焦距與標(biāo)簽透鏡的焦距的比值。
[0020] 研究表明，系統(tǒng)能夠正確解碼的接收距離與接收端手機(jī)鏡頭的孔徑和焦距成正 比，所以用一般手機(jī)鏡頭接收時(shí)，接收距離受到限制。本發(fā)明主要對(duì)接收端的手機(jī)鏡頭進(jìn)行 改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過環(huán)型折疊的方式實(shí)現(xiàn)超薄的大孔徑長(zhǎng)焦距透鏡，并將這種透鏡用作微光學(xué) 標(biāo)簽系統(tǒng)的接收端手機(jī)鏡頭，可以增加接收距離，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)對(duì)微型標(biāo)簽碼的遠(yuǎn)距離接收。
[0021] 環(huán)型孔徑超薄透鏡與具有相同通光孔徑面積和焦距的傳統(tǒng)透鏡相比重量和厚度 都小得多，例如四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡的尺寸與25美分硬幣相當(dāng)，完全可以應(yīng)用于手 機(jī)。便于微光學(xué)標(biāo)簽在日常生活中得到推廣應(yīng)用。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明的基于環(huán)型孔徑超薄透鏡的微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2是四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡的光線反射路徑示意圖；
[0024] 圖3是微型標(biāo)簽碼位于發(fā)射端和接收端的對(duì)比圖；圖3a是發(fā)射端的微型標(biāo)簽碼的 原始圖；圖3b是接收端接收的微型標(biāo)簽碼的成像圖。
[0025] 其中，1、微型標(biāo)簽碼，2、標(biāo)簽透鏡，3、四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡，31、環(huán)型孔徑， 32、1次反射非球面，33、2次反射非球面，34、3次反射非球面，35、4次反射非球面，36、像面， 4、圖像傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 現(xiàn)在結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡(jiǎn)化的示意圖，僅以 示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。
[0027] 如圖1所示，一種基于環(huán)型孔徑超薄透鏡的微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)，包括發(fā)射端和接收 端，發(fā)射端包括微型標(biāo)簽碼1和標(biāo)簽透鏡2,微型標(biāo)簽碼1位于標(biāo)簽透鏡2的前焦平面處； 接收端包括四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡3和圖像傳感器4,圖像傳感器4位于四次反射環(huán)型 孔徑超薄透鏡3的后焦平面處，微型標(biāo)簽碼1發(fā)出的光線依次經(jīng)過標(biāo)簽透鏡2和四次反射 環(huán)型孔徑超薄透鏡3最終成像在圖像傳感器4上。
[0028] 標(biāo)簽透鏡2的焦距為fa，即微型標(biāo)簽碼1到標(biāo)簽透鏡2中心距離為fa，使得從微型 標(biāo)簽碼1發(fā)出的光線經(jīng)過標(biāo)簽透鏡2后發(fā)出的是平行光。接收端手機(jī)鏡頭為四次反射環(huán)型 孔徑超薄透鏡3,其焦距為f D，接收距離為L(zhǎng)即標(biāo)簽透鏡2與四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡3 中心之間的距離，圖像傳感器4位于四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡3的后焦平面處，平行光經(jīng) 過四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡3成像在圖像傳感器4上。系統(tǒng)的孔徑光闌是標(biāo)簽透鏡2,視 場(chǎng)光闌為微型標(biāo)簽碼1。微型標(biāo)簽碼1的孔徑為b，根據(jù)薄透鏡成像公式：
[0030] 式中，L為物距，V為像距，fD為薄透鏡焦距。則接收?qǐng)D像的大小為b':
[0031] b' = (v-fD)D/v = fDD/L
[0032] 微型標(biāo)簽碼1的放大倍率為Mb，Mb= b' /b = f D/fa，即接收端接收到的圖像的放大 倍率與四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡3的焦距與標(biāo)簽透鏡2的焦距的比值成正比。
[0033] 接收距離為L(zhǎng) :
[0034] L = fDD/b'
[0035] 當(dāng)圖像傳感器4能識(shí)別的微型標(biāo)簽碼1尺寸確定時(shí)，系統(tǒng)能夠正確解碼微型標(biāo)簽 碼1的接收距離L與四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡3的孔徑D與其焦距f D的乘積成正比。
[0036] 所以為了增加系統(tǒng)的接收距離，必須增大接收端手機(jī)鏡頭的孔徑和焦距，本發(fā)明 通過環(huán)型折疊的方式實(shí)現(xiàn)超薄的大孔徑長(zhǎng)焦距透鏡，即將四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡3用 于接收端的手機(jī)鏡頭。
[0037] 四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡3的前后反射面為多個(gè)高次非球面；
[0038] 非球面上各點(diǎn)相對(duì)頂點(diǎn)沿光軸的線度z由下述公式定義：
[0040] 公式中c = 1/R。，R。代表非球面頂點(diǎn)的曲率；
[0041] k代表二次曲面常數(shù)，
[0042] r代表距離光軸的水平距離，
[0043] afan為非球面修正系數(shù)。
[0044] 四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡3的基底材料為CaF2。
[0045] 如圖2所示為光線進(jìn)入四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡的反射路徑示意圖；四次反射 環(huán)型孔徑超薄透鏡3包括環(huán)型孔徑31、1次反射非球面32、2次反射非球面33, 3次反射非 球面34、4次反射非球面35和像面36。
[0046] 光線從邊緣的環(huán)型孔徑31區(qū)域進(jìn)入四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡3,通過四次反射 環(huán)型孔徑超薄透鏡3前后環(huán)型反射面的反射鏡多次反射，最后成像在像面36上。該四次反 射環(huán)型孔徑超薄透鏡3通過光線在系統(tǒng)中的多次折返確保在有限的厚度和質(zhì)量?jī)?nèi)得到較 大的有效孔徑和焦距，實(shí)現(xiàn)其超薄的特性。
[0047] 如圖3所示，實(shí)施例中微型標(biāo)簽碼1采用QR碼，圖3a是發(fā)射端的微型標(biāo)簽碼的原 始圖；圖3b是接收端接收的微型標(biāo)簽碼的成像圖。
[0048] 接收?qǐng)D像能被正確識(shí)別解碼。系統(tǒng)接收距離從一般手機(jī)鏡頭接收時(shí)的8_21mm增 加到四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡3接收時(shí)的122-140_。
[0049] 結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)為，接收距離L為124mm，入瞳直徑，即標(biāo)簽透鏡2的孔徑a為3mm， 視場(chǎng)角為12°，微型標(biāo)簽碼1尺寸b為2_，標(biāo)簽透鏡2焦距f a
[0050] 為10mm，四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡3的有效焦距fD為36mm，孔徑D為28mm。
[0051] 下表為四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡3的反射非球面參數(shù)。
[0053] 以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完 全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù) 性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于環(huán)型孔徑超薄透鏡的微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)包括發(fā)射端和 接收端，發(fā)射端包括微型標(biāo)簽碼（1)和標(biāo)簽透鏡（2)，微型標(biāo)簽碼（1)位于標(biāo)簽透鏡（2)的 前焦平面處；接收端包括四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡（3)和圖像傳感器（4)，圖像傳感器 (4)位于四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡（3)的后焦平面處，微型標(biāo)簽碼（1)發(fā)出的光線依次經(jīng) 過標(biāo)簽透鏡（2)和四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡（3)最終成像在圖像傳感器（4)上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)型孔徑超薄透鏡的微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)，其特征在于：接 收端接收到放大圖像，其放大倍率與四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡（3)的焦距和標(biāo)簽透鏡 (2)的焦距的比值成正比。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)型孔徑超薄透鏡的微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)，其特征在于：正 確解碼微型標(biāo)簽碼（1)的接收距離與四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡（3)的孔徑及其焦距的乘 積成正比。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)型孔徑超薄透鏡的微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)，其特征在于：四 次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡（3)的前后反射面為多個(gè)高次非球面； 非球面上各點(diǎn)相對(duì)頂點(diǎn)沿光軸的線度z由下述公式定義：公式中c= 1/R。，R。代表非球面頂點(diǎn)的曲率；k代表二次曲面常數(shù)， r代表距離光軸的水平距離， ai_an為非球面修正系數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)型孔徑超薄透鏡的微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)，其特征在于：四 次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡（3)的基底材料為CaF2。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于環(huán)型孔徑超薄透鏡的微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)，包括發(fā)射端和接收端，發(fā)射端包括微型標(biāo)簽碼和標(biāo)簽透鏡，微型標(biāo)簽碼位于標(biāo)簽透鏡的前焦平面處；接收端包括四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡和圖像傳感器，圖像傳感器位于四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡的后焦平面處，微型標(biāo)簽碼發(fā)出的光線依次經(jīng)過標(biāo)簽透鏡和四次反射環(huán)型孔徑超薄透鏡最終成像在圖像傳感器上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于環(huán)型孔徑超薄透鏡的微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)，通過環(huán)型折疊的方式實(shí)現(xiàn)超薄的大孔徑長(zhǎng)焦距透鏡，并將這種透鏡用作微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的接收端手機(jī)鏡頭，可以增加接收距離，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)對(duì)微型標(biāo)簽碼的遠(yuǎn)距離接收。
【IPC分類】G06K17/00, G02B3/02
【公開號(hào)】CN105046305
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510539488
【發(fā)明人】梁忠誠(chéng), 戈蘭, 李桂根
【申請(qǐng)人】南京郵電大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年8月28日