一种基于环型孔径超薄透镜的微光学标签系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于物联网与光学设计的技术领域，适用于手机镜头基于四次反射环型孔 径超薄透镜的接收端，涉及一种微光学标签系统结构，尤其涉及一种基于环型孔径超薄透 镜的微光学标签系统。
【背景技术】
[0002] 随着物联网技术的发展与进步，标签信息识别技术遍布日常生活和工作的各个领 域，人们因此可以方便地获取所需信息。微光学标签作为一种新的传递、信息存储技术，有 着其它自动识别技术无法比拟的优势，从一出现就受到很大的关注。微光学标签的尺寸只 有毫米量级，因为其足够的小，与相当尺寸的条码相比，其存储的信息数据量足够大。并且 其不存在RFID技术的安全隐患问题，可以很好的应用于物联网技术中实现信息的识别。微 光学标签在手机的信息交换系统中、在增强现实中以及手势识别中等都会有很好的应用。 [0003] 微光学标签系统主要由发射端、信道和接收端组成。发射端包括存储信息的微型 标签码及一个小的微型光学透镜，信道是空间，接收端是手机镜头及图像传感器。发射端中 微型光学透镜和接收端的手机镜头共同构成整个光学系统，使微型标签码在通过该光学系 统后能够被手机的图像传感器所接收到并能识别出其中所包含的信息。
[0004] 研究表明，系统能够正确解码的接收距离范围正比于相机物镜的孔径和焦距。现 有的微光学标签系统采用一般手机镜头接收时，接收距离受到很大限制。
【发明内容】
[0005] 本发明需要解决的问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于环型孔径超 薄透镜的微光学标签系统。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0007] -种基于环型孔径超薄透镜的微光学标签系统，包括发射端和接收端，发射端包 括微型标签码和标签透镜，微型标签码位于标签透镜的前焦平面处；接收端包括四次反射 环型孔径超薄透镜和图像传感器，图像传感器位于四次反射环型孔径超薄透镜的后焦平面 处，微型标签码发出的光线依次经过标签透镜和四次反射环型孔径超薄透镜最终成像在图 像传感器上。
[0008] 接收端接收到放大图像，其放大倍率与四次反射环型孔径超薄透镜的焦距和标签 透镜的焦距的比值成正比。
[0009] 正确解码微型标签码的接收距离与四次反射环型孔径超薄透镜的孔径及其焦距 的乘积成正比。
[0010] 四次反射环型孔径超薄透镜的前后反射面为多个高次非球面；
[0011] 非球面上各点相对顶点沿光轴的线度z由下述公式定义：
[0013] 公式中c = 1/R。，R。代表非球面顶点的曲率；
[0014] k代表二次曲面常数，
[0015] r代表距离光轴的水平距离，
[0016] ai_an为非球面修正系数。
[0017] 四次反射环型孔径超薄透镜的基底材料为CaF2。
[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0019] 本发明提出的一种基于环型孔径超薄透镜的微光学标签系统结构，当接收端手机 镜头的焦距大于标签透镜焦距时，可以接收到一个相对微型标签码放大的像，其放大倍率 取决于四次反射环型孔径超薄透镜的焦距与标签透镜的焦距的比值。
[0020] 研究表明，系统能够正确解码的接收距离与接收端手机镜头的孔径和焦距成正 比，所以用一般手机镜头接收时，接收距离受到限制。本发明主要对接收端的手机镜头进行 改进设计，通过环型折叠的方式实现超薄的大孔径长焦距透镜，并将这种透镜用作微光学 标签系统的接收端手机镜头，可以增加接收距离，实现了手机对微型标签码的远距离接收。
[0021] 环型孔径超薄透镜与具有相同通光孔径面积和焦距的传统透镜相比重量和厚度 都小得多，例如四次反射环型孔径超薄透镜的尺寸与25美分硬币相当，完全可以应用于手 机。便于微光学标签在日常生活中得到推广应用。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明的基于环型孔径超薄透镜的微光学标签系统的结构示意图；
[0023] 图2是四次反射环型孔径超薄透镜的光线反射路径示意图；
[0024] 图3是微型标签码位于发射端和接收端的对比图；图3a是发射端的微型标签码的 原始图；图3b是接收端接收的微型标签码的成像图。
[0025] 其中，1、微型标签码，2、标签透镜，3、四次反射环型孔径超薄透镜，31、环型孔径， 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、图像传感器。
【具体实施方式】
[0026] 现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以 示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0027] 如图1所示，一种基于环型孔径超薄透镜的微光学标签系统，包括发射端和接收 端，发射端包括微型标签码1和标签透镜2,微型标签码1位于标签透镜2的前焦平面处； 接收端包括四次反射环型孔径超薄透镜3和图像传感器4,图像传感器4位于四次反射环型 孔径超薄透镜3的后焦平面处，微型标签码1发出的光线依次经过标签透镜2和四次反射 环型孔径超薄透镜3最终成像在图像传感器4上。
[0028] 标签透镜2的焦距为fa，即微型标签码1到标签透镜2中心距离为fa，使得从微型 标签码1发出的光线经过标签透镜2后发出的是平行光。接收端手机镜头为四次反射环型 孔径超薄透镜3,其焦距为f D，接收距离为L即标签透镜2与四次反射环型孔径超薄透镜3 中心之间的距离，图像传感器4位于四次反射环型孔径超薄透镜3的后焦平面处，平行光经 过四次反射环型孔径超薄透镜3成像在图像传感器4上。系统的孔径光阑是标签透镜2,视 场光阑为微型标签码1。微型标签码1的孔径为b，根据薄透镜成像公式：
[0030] 式中，L为物距，V为像距，fD为薄透镜焦距。则接收图像的大小为b':
[0031] b' = (v-fD)D/v = fDD/L
[0032] 微型标签码1的放大倍率为Mb，Mb= b' /b = f D/fa，即接收端接收到的图像的放大 倍率与四次反射环型孔径超薄透镜3的焦距与标签透镜2的焦距的比值成正比。
[0033] 接收距离为L :
[0034] L = fDD/b'
[0035] 当图像传感器4能识别的微型标签码1尺寸确定时，系统能够正确解码微型标签 码1的接收距离L与四次反射环型孔径超薄透镜3的孔径D与其焦距f D的乘积成正比。
[0036] 所以为了增加系统的接收距离，必须增大接收端手机镜头的孔径和焦距，本发明 通过环型折叠的方式实现超薄的大孔径长焦距透镜，即将四次反射环型孔径超薄透镜3用 于接收端的手机镜头。
[0037] 四次反射环型孔径超薄透镜3的前后反射面为多个高次非球面；
[0038] 非球面上各点相对顶点沿光轴的线度z由下述公式定义：
[0040] 公式中c = 1/R。，R。代表非球面顶点的曲率；
[0041] k代表二次曲面常数，
[0042] r代表距离光轴的水平距离，
[0043] afan为非球面修正系数。
[0044] 四次反射环型孔径超薄透镜3的基底材料为CaF2。
[0045] 如图2所示为光线进入四次反射环型孔径超薄透镜的反射路径示意图；四次反射 环型孔径超薄透镜3包括环型孔径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] 光线从边缘的环型孔径31区域进入四次反射环型孔径超薄透镜3,通过四次反射 环型孔径超薄透镜3前后环型反射面的反射镜多次反射，最后成像在像面36上。该四次反 射环型孔径超薄透镜3通过光线在系统中的多次折返确保在有限的厚度和质量内得到较 大的有效孔径和焦距，实现其超薄的特性。
[0047] 如图3所示，实施例中微型标签码1采用QR码，图3a是发射端的微型标签码的原 始图；图3b是接收端接收的微型标签码的成像图。
[0048] 接收图像能被正确识别解码。系统接收距离从一般手机镜头接收时的8_21mm增 加到四次反射环型孔径超薄透镜3接收时的122-140_。
[0049] 结构的具体参数为，接收距离L为124mm，入瞳直径，即标签透镜2的孔径a为3mm， 视场角为12°，微型标签码1尺寸b为2_，标签透镜2焦距f a
[0050] 为10mm，四次反射环型孔径超薄透镜3的有效焦距fD为36mm，孔径D为28mm。
[0051] 下表为四次反射环型孔径超薄透镜3的反射非球面参数。
[0053] 以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完 全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术 性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
【主权项】
1. 一种基于环型孔径超薄透镜的微光学标签系统，其特征在于：该系统包括发射端和 接收端，发射端包括微型标签码（1)和标签透镜（2)，微型标签码（1)位于标签透镜（2)的 前焦平面处；接收端包括四次反射环型孔径超薄透镜（3)和图像传感器（4)，图像传感器 (4)位于四次反射环型孔径超薄透镜（3)的后焦平面处，微型标签码（1)发出的光线依次经 过标签透镜（2)和四次反射环型孔径超薄透镜（3)最终成像在图像传感器（4)上。2. 根据权利要求1所述的基于环型孔径超薄透镜的微光学标签系统，其特征在于：接 收端接收到放大图像，其放大倍率与四次反射环型孔径超薄透镜（3)的焦距和标签透镜 (2)的焦距的比值成正比。3. 根据权利要求1所述的基于环型孔径超薄透镜的微光学标签系统，其特征在于：正 确解码微型标签码（1)的接收距离与四次反射环型孔径超薄透镜（3)的孔径及其焦距的乘 积成正比。4. 根据权利要求1所述的基于环型孔径超薄透镜的微光学标签系统，其特征在于：四 次反射环型孔径超薄透镜（3)的前后反射面为多个高次非球面； 非球面上各点相对顶点沿光轴的线度z由下述公式定义：公式中c= 1/R。，R。代表非球面顶点的曲率；k代表二次曲面常数， r代表距离光轴的水平距离， ai_an为非球面修正系数。5. 根据权利要求1所述的基于环型孔径超薄透镜的微光学标签系统，其特征在于：四 次反射环型孔径超薄透镜（3)的基底材料为CaF2。
【专利摘要】本发明公开了一种基于环型孔径超薄透镜的微光学标签系统，包括发射端和接收端，发射端包括微型标签码和标签透镜，微型标签码位于标签透镜的前焦平面处；接收端包括四次反射环型孔径超薄透镜和图像传感器，图像传感器位于四次反射环型孔径超薄透镜的后焦平面处，微型标签码发出的光线依次经过标签透镜和四次反射环型孔径超薄透镜最终成像在图像传感器上。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的基于环型孔径超薄透镜的微光学标签系统，通过环型折叠的方式实现超薄的大孔径长焦距透镜，并将这种透镜用作微光学标签系统的接收端手机镜头，可以增加接收距离，实现了手机对微型标签码的远距离接收。
【IPC分类】G06K17/00, G02B3/02
【公开号】CN105046305
【申请号】CN201510539488
【发明人】梁忠诚, 戈兰, 李桂根
【申请人】南京邮电大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年8月28日