（光学工程专业论文）采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测.pdf

采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 采用共焦光学传感元件的稳形条码的检测 中文提要 本文的工作旨在利用红外上转换材料的光光转换特性，研究一种 隐性条码的材料制作、检测器件和检测方法。详细介绍隐形条码的材 料特点、系统的作用、信号检测的方法等方面的内容。 红外上转换材料( i n f r a r e du p c o n v e r s i o nm a t e r i a l ) 是一种新型光学 功能材料。所谓上转换是指高浓度稀土离子材料由于离子间的相互作 用，能够吸收红外辐射发射可见光，受到光激发时可发射比激发波长 短的荧光的材料称为上转换发光材料，这种光的本质是一种反斯托克 斯发光。利用红外上转换材料在自然环境下不可见的特点，将其与无 色油墨按比例混合后制备的红外上转换油墨作为条码的印刷材料，使 条码具备隐形特点。我们提出的隐形条码的概念，作为条码技术的重 要补充，把用红外上转换材料油墨印刷出的符号转换为机器语言，保 留了条形码作为自动识别技术所具有的输入速度快、可靠性高、灵活 实用等特点；同时，隐形条码技术在具备条码所有优点的条件下，增 加了防伪性能并且不影响原有印刷效果。 由于隐形条码的扫描是大噪声下的微弱信号提取，我们提出采用 共焦光学传感器来实现红外上转换材料的激发以及信息读取，分析了 共焦光学系统的结构与性能，实验数据表明，共焦系统能有效的收集 激发出的上转换光、屏蔽环境光和有效利用激发源红外光的光能，从 而具备大噪声干扰下微弱光检测的能力。研究了用于上转换材料油墨 的混合比，指出当材料与油墨的质量混合比 0 5 时，共焦光学检测 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 器具有良好的检测稳定性，文中已经研制成功的检测器的扫描分辨率 0 4 m m ，检测器扫描输出波形曲线符合条形码标准中p c s 值规定， 满足译码的波形要求，或能方便的输入计算机中进行相关处理。 上述检测器为红外上转换材料的微弱信号检测提供了一种良好 的检测工具。文中给出了检测实验结果，验证了隐形条码方案的可 行性。通过进一步的研究，文中介绍的隐性条码及其共焦光学检测器 将会有良好的应用前景。 关键词：隐形条码红外上转换共焦检测 作者：叶燕 指导老师：陈林森研究员 m e a s u r e m e n to fh i d d e nb a rc o d e w i t hc o n f o c a l o p t i c a ls e n s o r a b s t r a c t b a s e do nt h el i g h tt o l i g h t c o n v e r s i o np r o p e r t i e so ft h ei n f r a r e d u p c o n v e r s i o n ( i r u c ) m a t e r i a l ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fi r u ci n k ，t h e f u n c t i o no fo p t i c a lc o n f o c a ls y s t e ma n dt h ed e t e c t i n gm e t h o do fh i d d e n b a rc o d ei np r i n c i p l eh a v eb e e nd i s c u s s e da n di n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r i n f r a r e du p c o n v e r s i o nm a t e r i a li san e ws o r to fo p t i c a l f u n c t i o n m a t e r i a lm a d eo fr a r e e a r t h u p c o n v e r s i o n i sa n o p t i c a l l i n e a r p h e n o m e n o n ，w h i c hi r u c m a t e r i a lw i t hh i g hc o n c e n t r a t i o ni o n se m i t s t h es h o r tw a v e l e n g t hl i g h tw h e na c t i v a t e db yt h el o n gw a v e l e n g t hl i g h t d u et ot h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ni o n si nt h er a r ee a r t hm a t e r i a l t h ee s s e n c e o ft h ei r u ci sa n t i s t o k e sp r i n c i p l e w em i xt h ei r u cp o w d e rw i t ht h e t r a n s p a r e n t i n kt of o r ma t y p eo fi n f r a r e d i n k ( m - i n k ) a st h ep r i n t i n gi n k f o rb a rc o d e t h eb a rc o d ep r i n t e dw i t hi r i n ki si n v i s i b l ei nt h en o r m a l d a yl i g h tc o n d i t i o n ，a n dn a m e da s h i d d e nb a rc o d e n o ts a n l ea st h e n o r m a lb a rc o d ep r i n t e di nt h eb l a n ka r e a ，t h eh i d d e nb a rc o d ec a nb e p r i n t e do nt h es u r f a c ew i t hc o l o ro rp a t t e r n s t h e r e f o r e ，t h eh i d d e n b a r c o d et a k e sn o to n l yt h es a m ea d v a n t a g e a st h en o r m a lb a rc o d e t e c h n i q u e ， s u c ha sq u i c ki n p u ts p e e d ，h i g hr e l i a b i l i t ya n da g i l i t ya n dp r a c t i c a l i t ye t c ， b u ta l s oi tc a nb ea san e wc o u n t e r f e i tt 0 0 1 o fc o u r s e ，b e c a u s e t h e c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fi r i n kf r o mi n f r a r e dl i g h tt ov i s i b l el i g h ti sv e r y l o w , i t i sv e r yd i f f i c u l tt od e t e c tt h ei r i n k i 竺竺! ! 些竺兰坐垡坚! 璺璺婴璺竺! 型! 竺些! 竺! ! 竺! ! 塑! ! ! ! 兰! ! ! ! !垒! ! ! 型 s i n c et h ed e t e c t i o no fh i d d e nb a rc o d ei st h ew e a ks i g n a ld e t e c t i n g a g a i n s ts t r o n gn o i s e ，as m a l l c o n f o c a lo p t i c a l s e n s o r ( c f o s ) h a sb e e n d e s i g n e da n df a b r i c a t e dt oa c t i v a t ei ri n kb yu s i n gal a s e rb e a m w i t h 9 8 0 n mi n f r a r e d l i g h t t h e s t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c e o ft h e o p t i c a l c o n f o c a ls y s t e mw i t hc f o sh a v eb e e na n a l y z e d b ya c h i e v i n gas m a l l f o c a l s p o t o fi n f r a r e dl a s e rb e a mo n t o t h es u r f a c eo fi ri n k ，t h e c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fu pc o n v e r s i o nm a t e r i a li sg r e a t l yi n c r e a s e d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ec f o sc a nc o l l e c tm o r ee x c i t e dv i s i b l e l i g h t f r o mi ri n k ，a n dp r e v e n tt h ee n v i r o n m e n t a ll i g h t t oe n t e rt h e d e t e c t o r t h e r e f o r e ，t h eo p t i c a lc o n f o c a ls y s t e m h a sa l le x c e l l e n tf e a t u r e i n d e t e c t i n gw e a ks i g n a la g a i n s ts t r o n gn o i s e ，a n d i s p r o v e dt o h a v e r e l i a b l ed e t e c t i n gp e r f o r m a n c ew h e nt h eu p c o n v e r s i o nm a t e r i a lc o n t e n t i ni ri n ki sm o r et h a n0 5 t h es c a n n i n gr e s o l u t i o no fo p t i c a lc o n f o c a l s y s t e m h a sa l r e a d yb e e na c h i e v e do v e r0 4 r a m ，t h em e t h o do fi m p r o v i n g t h er e s o l u t i o no ft h es y s t e mi sg i v e n t h ef e a s i b i l i t yo f h i d d e nb a rc o d e h a sb e e n p r o v e db y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s h i d d e nb a rc o d ec a nb ea s a n i m p o r t a n ti m p l e m e n t t on o r m a lb a rc o d et e c h n i q u e k e y w o r d s ：h i d d e nb a rc o d e ，i n f r a r e du p c o n v e r s i o n ，c o n f o c a l ， d e t e c t i o n w r i t t e n b y y ey a n s u p e r v i s e db y p r o f c h e nl i n s e n i v y s4 5 6 3 5 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 宄工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州i 大学或其它教 育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和 鬃体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名：望葺l 日 期：亟l 匹牛 ， 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作 部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的 公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：翊亟 日期： 导师签名：e 笔堕丝e l期： q 生匹：盟 ! 坚。! ! 虫 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 一 引言 1 1 红外上转换材料的发光机制 红外上转换材料( u p - c o n v e r s i o nm a t e r i a l ) 是一种新型光学功能材 料】。所谓上转换是指高浓度稀土离子材料由于离子间的相互作用， 能够吸收红外辐射发射可见光。受到光激发时可发射比激发波长短的 荧光的材料称为上转换发光材料，这种光的本质是一种反斯托克斯发 光，可归结为三种情况：激发态吸收、能量转移、直接双光子吸收。 1 2 上转换材料的材料特性 研究表明上转换材料的发光效率很低，一般红光约为1 ，绿光 4 ，蓝光约为2 晦1 。如此低的发光效率给检测带来了困难。因此需要 采用具有较大能量的激发光源，一般选用激光二极管作为激发源。 红外上转换材料粉末是掺杂有稀土元素y b 和e r 的氟氧化物复合 材料经烧结而成，颗粒尺寸为1 4 微米。上转换材料在红外激光激 w & v e l e n g t h r m 图1 1 红外上转换材料的发射光谱特性曲线 发下一般会在可见光区产生一种或者两种以上波段的可见光，其上转 换发光过程为激发态吸收过程。图l 一1 是一种典型的多波段发光的上 1 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 转换材料的发射光谱哺1 ，绿光的谱带在5 1 5 5 6 5 n m ，最大吸收位于5 4 2 n m ；红光的谱带在6 4 0 6 8 0 n m ，最大吸收在6 5 3 n m 。 我们实验研究表明红外上转换材料对离焦反应灵敏。如图l 一2 所示，红外上转换材料样品上激发光点的位置偏离聚焦点的输出曲 线，纵坐标为检测器的输出电压，横坐标为偏离量，最小间隔0 0 8 m r n 。 从曲线中可以看出，很小的偏离量就会导致输出电压产生较大的变 化。这表明，在相同的激发光功率下，聚焦点越小，材料的光光转 换效率就越高。也就是说激励光强微小的变化会引起发射出的可见光 光强的较大变化。这种变化是非线性的，拟合后发现其近似于四次多 项式关系。 三 拿 去 詈 图1 - 2 不同偏移量的输出电压曲线 1 3 上转换材料的主要应用* “3 上转换材料的反斯托克斯效应一直受到重视。随着光存储、光数 据处理、激光打印机等研究和应用的飞速发展，对蓝绿波段乃至更短 波长的激光器的需求越来越多。人们对利用上转换技术，用较长波长 的激光作泵浦源在搀稀土离子的晶体或玻璃材料中实现较短波长的 釜三 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 激光振荡进行了研究，它是极有的潜力的三种紧凑蓝绿激光器方案之 一。上转换激光器是激光器紧凑全固化潮流的一个最新发展，弥补了 了半导体激光向短波长方向发展的不足与困难，成为一h 转换材料应用 研究的主流。 其次电子俘获材料( e t m e l e c t r o nt r a p p i n gm a t e r i a l ) 也是国 内外近年来研究的热点之一。1 9 8 6 年，l i n d m a y e r 首先提出利用i i a v i b 化合物中某些杂质离子的电子在光的作用下被陷阱俘获或释放的 现象，发展了一种新的可擦除光存储系统，并称这种新介质为“电子 俘获材料”。具有两个重要特性：室温下的红外光至可见光的上转换； 将光信息以陷阱电子形式长期存储。其应用涉及红外探测、红外上转 换成像、快速红外上转换、可擦除光盘、光神经中枢网络、扩展可见 光探测器使用范围等很多新领域。 国内主要报道的有s r s ( e u ，s m ) 、s r s ( c e ，s m ) 、c a s ( e u ，s m ) 、 c a s ( c e ，s m ) 等电子俘获性材料，采用硫化助熔剂法和稀土直接搀杂 两种工艺进行合成，分析了其光谱性能和上转换效率，并将其应用于 紫外、可见图像存储和图像减法、e m t 转换屏等方面。 红外上转换材料在生物、医学方面也有很大的应用，如生物基因 芯片的荧光检测、癌细胞的荧光免疫检测、弹性纤维荧光检测成像， 主要将红外上转换材料作为被检生物组织的荧光标定。 关于红外上转换材料作为防伪材料应用曾有学者提起，但末见后 续报道。 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 1 4 条码技术“”1 条码是由一组规则排列的条和空组成的标记。这里说的条即是印 刷出的黑色或深色条符，而两个黑色条符间的空白即代表空。条、空 的宽、窄及问隔的相对位置的特殊排列就构成了信息，不同的排列规 则是不同的编码体制决定的。其最初是作为供机器识别的印刷符号被 提出的，早在1 9 4 9 年，美国的n 。j w o o d l a n d 就申请了环形条码专利。 经过5 0 多年的发展，条码中条、空的宽度及排列组合的变化是符号 的识别从简单的分类扩散到信息普适性的编码。同时，传感技术、微 电子技术和计算机技术的发展，为及时、准确地传递信息提供了更可 靠的技术手段，使条码技术进一步实用化，适用的范围也在不断扩大。 条码技术的主要应用是为信息管理系统提供一种高效、可靠、成本低 廉的自动输入数据的途径。条码是一种信息记录的形式，为适应不同 的需要，现研究提出的编码方案多达四十余种，并且从一维码发展到 二维码。 1 4 1 一维条码 一维条码是由一组宽度不同，平行相间的黑色( 或深色) 条符和 白色条符按预先规定的规则排列组合而成的图形符号，以此老表示一 组字符。黑色条符，在条码术语中称为“条”，指对光线反射率较低 的部分：白色条符，在条码术语中称为“空”，指对光线反射率较高 的那部分。预定的排列规则，称之为条码的编码方案，简称“码制”。 常用的一维码的码制包括：e a n 码、3 9 码、9 3 码、2 5 码、交叉2 5 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 码、u p c 码、c o d e - 1 2 8 码和c o d a b a r 码( 库德巴码) 等。不同码制的 应用领域不同。 1 4 1 1 一维条码的组成 一个完整的条码的组成次序依次为：静区( 前) 、起始符、数据 符、中间分隔符( 主要用于e a n 码) 、校验符、终止符、静区( 后) 。 如图1 3 所示。 静区，指条码左右两端外侧与空的反射率相同的限定区域，他能 使阅读器进入准备阅读的状态，当两个条码相距距离较近时，静区则 有助于对他们加以区分，静区的宽度通常应不小于6 m m ( 或1 0 倍模 块宽度) 。 起始终止符，指位于条码开始和结束的若干条与空，标志条码 的开始和结束，同时提供了码制识别信息和阅读方向的信息，不同码 制的起始终止符有不同的规定，且起始符和终止符有的相同，有的 不相同。 中间分隔符，这是在条码中间位置上的若干条与空，用以分隔条 码成若干部分。 数据符，位于条码中间的条、空结构，他包含条码所表达的特定 信息。 校验符，一般位于数据符的最后一位，用以校验前面数据的读入 正确与否。 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 ii i i i i ih ii i i i if i l li l l i ii l 1 2 3l l _ | 静区起始符ll 终止符静区 数据符 图i - 3 一维条码的组成 1 4 i 2 一维条码的分类体系 条码实际上是一种可印刷的机器语言，它采用二进制数的概 念，以“1 ”和“0 ”表示编码的特定组合单元。条码所表示的每一个 字符与所对应的条形符号之间的关系是通过一组二进制数来沟通和 转换的。从二进制数字所代表的条码图形来看，可分为两类：一类是 模块组配法，另一类是宽度调节法。 第一类、模块组配法。它将二进制数字中的o 与1 分别定义为条 码图形中的条与空，每一个0 与1 所代表的空和条的大小粗细都是一 样的，这是构成条码图形的基本单位，称为模块。一组二进制数字有 多少位，就对应多少个相应的模块数，一个条和空可以由一个到几个 模块组成，所以一个字符中条与空的数目不会大于模块的数目。如图 1 - 4 。属于模块组配法表示的条码有e a n 码、u p c 码、九三条码等。 图1 _ 4 模块组配法表示的条码 -耋-_州点射m 町狮 9l h 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 第二类、宽度调节法。它将二进制数字中的0 与1 分别定义为条 码图形中的窄条( 或窄空) 和宽条( 或宽空) ，其规格尺寸都有明确 的要求，这是构成条码图形的另一种基本单位，称之为单元，其作用 同模块一样。 显然这种条码图形占用的面积大。为了充分利用条与空之间的空 隙，宽空和窄空也用来表示二进制数。如图1 5 。属于宽度调节法表 示的条码有三九条码、二五条码、交叉二五条码和库得巴码。 洲i 图1 5 宽度调节法表示的条码( 3 9 条码) 1 4 1 3e a n 条码 e a n 条码( e u r o p e a na r t i c l en u m b e rb a rc o d e ) 它是由国际物 品编码协会制定的，被大多数国家采用，也是国际上通用的商品条码。 它是使用模块组配法的条码，也是长度固定、连续型的数字式码制， 其字符集是数字o 9 。采用四种元素宽度，每个条或空是l 、2 、3 或 4 倍单位元素宽度。e a n 条码有两个主要版本，一是由1 3 位数字组成 的标准版e a n 一1 3 条码，二是由8 位数字组成的压缩版e a n 一8 条码。 这里着重介绍标准版e a n - 13 条码。 图1 - 6 是标准版商品条码，它由条码符号( 即图形) 和供人识别 的字符( 即代码) 两部分构成，代码有1 3 位，外廓尺寸为3 7 2 9 m m x 7 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 性l 聂3 1 。2 s 9 三 图1 6 标准e a n - 1 3 码 1 代码层次 对物品起符号标志作用的标准商品条码e a n - 1 3 条码的编码 层次标志结构如图1 7 所示。 蔡嗍 二二二 x x xx x xx x x x xx 国家眺区悯二骗码蕊函 图1 7e a n - 1 3 码编码层次结构 第一项前缀码，由e a n 编码组织统一分配的，表示此产品生 产的国家或地区。中国的前缀码为6 9 0 ，6 9 1 ，6 9 2 。 第二项厂商识别代码，由4 位至6 位数组成，它由所在国家 或地区的编码组织分配给申请商品条码的生产商。 第三项商品项目代码，它由5 位至3 位数构成，表示商品的 特征、属性等，由生产厂家自行分配确定。 第四项校验码，它是根据条码中1 3 位数的前1 2 位数，按照 r 采用麸熊光学传感元件的隐形条码的榆测 特定的计算规则得出的，当条码的前1 2 位数确定后，就可以计算 出第1 3 位数的值。详细方法介绍见附录。 2 符号结构 e a n 一1 3 条码的符号结构如图1 8 所示，从左向右有以下9 项 内容。 中间分隔符 左侧 空白区 前置码 终止符 右侧 空白区 左中右 侧 起 间 校终 侧 空 始 左侧数据符分右侧数据符 验止 空 白 符 隔 符糟 白 区 符 区 1 13 6 7 = 4 2 55 7 = 3 573 1 1 共1 1 3 个模块 从起始符到终止符共9 5 个模块 图1 8e a n 条码构成示意图 第一项左侧空白区，作为识读设备工作必要的准备空阔，大 小相当于1 1 个模块的面积。 第二项前矍码，在e a n 1 3 码中位于最左侧的一位数字代码。 此代码无需条码字符表示，而是通过左侧数据符6 个数字所对应 9 采用麸焦光学传感元件的隐形篆码的检测 条码，按一定内在规律而隐性显示( 详见附录) 。前置码为e a n 一1 3 条码所独有的设计。 第三项起始符，他占用3 个模块，2 条夹l 空。表示在起始 符之后即为正式条码。 第四项左侧数据符，共有6 位数字对应6 个条码字符图形。 每一个条码字符恩形占用7 个模块，存在奇校验码和偶校验码两 种编码方式。其数据的奇偶性取决于最左端隐含位的数据值，具 体编码方式见附录。 第五项中间分隔符，它占用5 个模块，3 条夹2 空。表示区 分左右数据符的中间标志。 第六项右侧数据符，它只是比左侧数据符少1 位数，只存在 一种偶校验编码方式( 见附录) 。5 位数字对应5 个条码字符图形。 第七项校验符，确保条码识读正确，它占用7 个模块。 第八项右侧空白区，它占用3 个模块，2 条夹l 空。表示条 码蜀此结束。 第九项右侧空白区，它占用7 个模块。 所有九项内容共占用儿3 个模块。 1 4 1 4 条形码识读系统 条形码识读系统是条码系统的组成部分，它由扫描系统、信号整 形、译码三部分组成：扫描系统由光学系统及探测器即光电转换器组 成；信号整形部分由信号放大、滤波、波形整形组成；译码部分则由 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 译码器及通讯部分组成。 光电扫描器由光学系统和电路系统两部分组成。光学系统的作用 是在扫描时获得瞬间光信号；电路系统的主要作用是将光学系统获取 的光信号转换成电信号，并进行放大和整形，然后输出给译码器。 光学系统主要由光源、透镜和光阑等元器件组成，电路系统主要 由光电转换器、放大器、波整形器和接口电路组成。图1 9 所示为一 种简单的光电扫描结构。 图1 - 9 光电扫描器结构图 在光电扫描器中，光学系统的聚焦方式一般有两种：一种是光源 照射聚焦，另一种是反射光接受聚焦，如图l 一1 0 所示。 聚光照射器 光源 ( a ) 光源照射聚焦 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 聚光接受器 光源 光敏接受器 光阑 透镜 ( b ) 反射光接受聚焦 图1 1 0 光学系统的聚焦方式 扫描时，扫描器根据反射光强弱的不同来区分条与空，根据反射 光持续时间的不同来区分宽条符和窄条符。反射光经聚焦后送到光电 转换器，产生与反射光强度成正比的微弱电流。经过放大器放大后得 到模拟电压波形，再由整形器整形转换成矩形波，即时变的二进制脉 冲信号，可通过译码器解释。如图1 1 l 所示。 篓二二m p 放大器模拟 电压输出 整形器脉冲 输出 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 图1 1 l扫描器工作波形图 光电扫描器对条形码符号的扫描有两种方式：一种是手动扫描， 另一种是自动扫描。手动扫描比较简单，手持扫描器在条形码符号上 相对移动，即完成了扫描过程。自动扫描比较复杂，方法较多，但最 常见的有两种：第一种是选择自动扫描的光电转换器，如c c d 扫描元 件；第二种是在光电扫描器中增加扫描光束运动机构，如旋转棱镜等。 1 4 2用红外上转换油墨制作隐形条码的方案选择 条码技术中把印刷出的信息转化成机器可读的机器语言，其重要 环节就是把条码反射光的强弱转换成高低电平由机器识读。不同质量 混合比的红外上转换油墨输出电压差别较大，可以使用其不同含量印 刷区与条形码的条空对应。但是，红外上转换材料的价格昂贵，这种 方法的成本比较高，不利于大规模生产。而混合比大于0 3 的红外 上转换油墨的检测输出电压比白纸上的检测输出电压高两个数量级， 可以使用其印刷区与条码编码中的条或空相对应，自纸作为相应的空 或条。同时可以考虑红外上转换油墨印刷区的质量混合比变化，制成 二维条码。本实验中，采用红外上转换油墨印刷区作为条码中的条， 白纸作为相应的空，选用一维条码的编码形式来验证可行性。 1 - 5 共焦光学系统 共焦显微是一种用光线聚焦点照明被检对象的光学系统。物镜同 时承担着照明被检物体和收集反射光的作用。如图1 - 1 2 所示，点光 采用共熊光学传感元件的隐形条码的检测 一引言 源s o u r c e 发出的光通过分光镜b e a ms p l i t t e r 和物镜聚焦到样品f o c a l p l a n e 面上，并在样品中激发出荧光。荧光由物镜收集并通过分光镜 图1 1 2 共焦显微原理 会聚到共焦小孔上，并由探测器检测。由于共焦小孔p i n h o l e 、点光源 s o u i c e 和共焦n p i n h o l e 处于共扼位置，而非共焦面一点于p i n h o l e 处形 成一弥散斑，只有少量光能通过p i n h o l e 至l j 达d e t e c t o r 。针 ：l p i n h o l e 的 选择对检测信噪比存在影响。针孔越小，信噪比越高。通过逐点扫描 工作台上的样品，便可得到样品的荧光图象。 在共焦显微的基础上发展了共聚焦激光扫描显微镜( c o n f o c a l l a s e rs c a n n i n gm i c r o s c o p y ，简称c l s m ) 2 ，其扫描方式主要有三种： 工作台扫描( s t a g es c a n n i n g ) 、光束扫描( b e a ms c a n n i n g ) f f 【l 转盘扫描 ( s p i n n i n gd i s k ) ；双光子激光扫描显微镜( t w o - p h o t o nl a s e rs c a n n i n g m i c r o s c o p y ，简称t p l s m ) i 以及多光子激光扫描显微镜( m u l t i p h o t o n 1 a s e rs c a n n i n gm i c r o s c o p y ，简称m p l s m ) 。其优异三维成像能力在生 物学、半导体工艺及三维微细加工等很多领域得到日益广泛的应用。 图1 1 3 是共聚焦激光扫描显微镜【2 羽用于三维成像的原理图。图1 1 4 是 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 一种多光子显微镜【2 3 1 示意图。 图1 1 3 共焦激光扫描显微示意图 图1 1 4 多光子激光显微镜示意图 1 6 研究内容和意义 红外上转换材料与透明油墨混合可以得到红外上转换油墨( i r i n k ) ，为无色透明的材料，用红外上转换油墨来印刷隐性条码。 采用共体光学传感元件的隐形条码的检测 一引言 条形码自动识别技术具有检测速度快、准确度高、可靠性强和成 本低等优点，已广泛应用于商品流通、工业生产自动化、办公自动化 等很多领域。随着世界性的物品统一编码活动在各国的迅速开展，条 形码自动识别技术必将成为全球物品管理和贸易往来的共同语言，并 进而渗透到许多技术领域。 将红外上转换油墨按条码编码方法制成的隐形条码，除了具有条 码的特点外，应用于名牌产品和证件，还具有防伪功能，因此，隐形 条码具有广阔的应用前景。与其防伪作用相类似的是通常使用的紫外 荧光防伪油墨。常用的紫外荧光材料按其组成分类主要有3 种。 是有机荧光材料，是具有大共轭体的不饱和分子，多是日光激发，用 于色彩明显的装饰，荧光稳定性差，易氧化分解。二是经高温合成的 无机荧光材料，用于荧光屏、日光灯管的发光材料，抗幅射好、稳定 性高，但在油性介质中难以分散、合成难度高、耐水性差。三是化学 合成的稀土有机络合物作为荧光材料。常规的有机稀土荧光络合物制 备简单，在油性介质中易分散、溶解、细化，在可见光下无色，紫辨 光激发下呈现荧光效果。 而红外上转换材料与其相比，合成成分复杂、技术要求高、稳定 性强。红外上转换油墨印刷的纸张或其他基材上，具有无色、无味、 在普通光条件下不能观察到的特性。因此，隐性条码可以印刷到原 有的印刷图像而不影响原有的图像内容，因此，不需要独立的条码印 数空间。 从隐性条码的检测要求看，必须了解红外上转换油墨的最低含 采用麸焦光学传感元件的隐形条码的捡测 量与检测的稳定性问题。因此，选择合适的含量，既可以进行稳定检 测，又能减少材料混合含量，降低使用成本，是一个应该关心的问题。 将红外上转换油墨应用于隐性条码的检测，还必须解决几个相关 技术难题。 第一检测的方法问题：红外上转换材料的转换效率很低，制成 红外上转换油墨后上转换效率会进一步降低，研究表明，红外上转 换效率不仅与材料自身的转换特性有关，同时由于其非线性转换特 性，转换效率还与激发光的功率有关】。虽然，可以使用具有较大 功率的激光二极管来作为激励光源，但是，较大功率的激光器的功 耗较大，不利于长时间使用，因此，检测中需解决的问题包括：尽可 能选用功率较低的红外激光管作为激发光源，检测时应有效收集被激 发出来的可见光；第二，检测器的特性提高问题：红外上转换油墨 在激发功率一定的情况下，激发光聚焦点越小，材料的上转换效率越 高，因此检测器应具有更小的聚焦光斑，同时需保证焦点处于被检材 料表面；第三，抗干扰问题：为保证在自然环境中能够检测，需要采 用有效手段避免环境光的影响；第四，检测器的动态检测稳定性与可 靠性问题；第五：为实现便携式检测，需要检测系统结构紧凑、体积 小。 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测二共焦光学传感器与红外上转换油墨检测 二 共焦光学传感器与红外上转换油墨检测 2 1 红外上转换油墨检测的特点 由于红外上转换材料的光光转换效率较低，在制成i ri n k 发光 油墨后，发光效率会进一步减小。因此，对于红外上转换油墨的检测 属于种微弱光检测。通常微弱光检测是将发光的生物或化学样品置 于黑暗的环境中，采用高灵敏度的光探测器，通过适当的透镜，接收 来自样品的微弱光，将其转换成电信号，再经放大器放大后，供微机 分析处理，从而获得样品系统的发光信息。 对于此类微弱光的检测，按光电探测器类型，可分为光电倍增管 型( p m t ) 、光敏二极管、三极管和电荷耦合器件( c c d ) 。在检测系 统中，采用共焦小孔去杂散光，小孔必须严格置于焦点位置，从而导 致了信噪比和可检灵敏度相互影响，结果降低了系统的灵活性。并且， 这些检测方法对环境的要求很高，体积又大，不能设计成便于携带的 袖珍型仪器。 2 2 基于共焦系统的便携式检测结构 共焦光学显微系统具有较好的横向分辨率和纵向分辨率。对于普 通光学显微系统，假设物的焦距为f 点光源s 与物镜的距离为d 0 ， 相应的像距为d i 。根据衍射理论，可以写出点光源发出的光波经物镜 l 变换后在像空间的复振幅分布： 采用麸焦光学传感元件的隐形条码的检测 二共焦光学传感器与红外上转抉油墨检测 咖翻2 壶唧c 姗x 俐e 榔芏# k 汜， 矿0 y ) e x p 三e + 百i 一们p ( _ 胁翌笔屿蛐 其中p ( x ，y ) 为系统的光瞳函数： m 朋_ 蕊y 4 2 ( 2 2 ) n 为光睫半径，z 为观察平面到物镜的距离。令z = t + z ，z ，为观察 平面到像面的距离，称为离焦量。因为感兴趣的是在像面前后离焦量 不是很大时的复振幅三维分布，将z = 4 + z ，代入式( 1 ) ，注意考虑离 焦量远远小于像距的特点，同时略去常数项位相因子( 因为积分号前 的位相因子并不影响最后的探测光强) ，得到： 慨删2 志必咖卅鬻f ) ( 2 3 ) c x p 【哏石嚼h 盖州姗 最终可得纵向光轴上的光强嘶1 分布： ，( 0 ，旷( 惫) 2 【些舅# 】2 ( 2 4 ) 其中“= z f s i i l 2n 。由此可见，光轴上的点光源在光轴上形成的像不 是一个点，而是一个s i n c 函数的分布。定义主最大值的半宽度为物镜 的焦深。则焦深1 大小为如式( 5 ) 所示，其中s i n 口为物镜的数值孔 径。 血，= 而2 3 ( 2 5 ) 对于共焦光学显微系统，由文献乜印可知，共焦光学显微系统的纵 采用麸焦光学传感元件的隐形条码的检测 二共焦光学传感器与红抖上转换油墨检测 向截止频率比普通光学显微系统的截止频率大了2 倍，m s _ i n 2 a 。 五 根据测不准关系：a z 。蜕“l ，得： a z 盯“ 。 s i n 。a ( 2 6 ) 由此可见共焦光学显微系统的焦深比普通光学显微系统的焦深小了 一半，又因为共焦光学显微系统的纵向分辨的极限是一个焦深，因此 共焦显微系统的纵向分辨率比普通光学显微系统大一倍。 由文献可知，普通光学显微系统的点物在理想情况下，光强的 分布为，：【丛盟 z ， v ，：【堕盟】t 。因此， v v = k a o 。而共焦光学显微系统像面强度分布为 物镜相同时，共焦系统的光强分布是普通光学显 微系统光强分布函数的平方，其半高宽要比普通光学显微系统窄，故 共焦系统的横向分辨率比普通显微系统高。 条形码的检测中将能分辨的最窄元素宽度o 1 5 珈3 0 m m 的光电 扫描器称为高分辨率扫描器；能分辨0 3 0 0 4 5 m m 的光电扫描器称为 中分辨率扫描器；能分辨为0 4 5 m m 以上的光电扫描器称为低分辨率 扫描器。 由于共焦光学显微系统相对于普通的光学显微系统而言，更容易 获得较高的分辨率。虽然与普通光学显微系统相比，共焦系统的焦深 较小，与条形码检测中希望有较大的焦深要求不相符合，但红外上转 换材料检测的特殊性( 微弱光检测需避免环境光影晌) 及其是位于平 面上的检测，对焦深的要求不是很高。因此针对掺杂有稀土元素y b 和e r 的氟氧化物复合红外上转换材料的油墨进行检测，提出一静微 型共焦光学系统。实验表明，该设计方案具有检测可靠、方便、灵敏 2 0 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 二共焦光学传感器与红外上转换油墨检测 度高，可以在自然环境中进行检测的特点。 d e t e c t o r l e n s b s o b j e c t i v e i r i n k 图2 1共焦光学检测器的示意图 检测系统有四大部分组成：激发光源、分光滤波、光电转换和 放大、模数转换与微处理器。图2 1 为共焦光学系统的原理图。这里， 激发光源采用了红外激光二极管( 9 8 0 n m ) 经过分束反射器b s 反射， 通过物镜( o b j e c t i v e ) 将红外光激光束聚焦至i r i n k 样品上，样品经 过红外光能的激发，红外光被转换成可见光，并从样品上发射出来 的可见光再经过o b j e c t i v e 集光，透过分束反射器b s ，再经透镜l e n s 聚集后，用光敏元件进行探测，由光敏探测器( d e t e c t o r ) 进行光电转 换，输出的微弱电信号经过高倍放大器放大、a d 转换和微处理器的 处理，得到探测结果。这里，用于激发的红外光与激发出的可见光采 用了共焦的光学系统，结构简洁、性能可靠 2 2 1 分束反射器性能 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测 二共焦光学传感器与红外卜转换油墨检测 分束反射器b s 是多层介质膜系，对于多层膜，其第j 层特 m，=一，i8sins j 吾c o s i s n 8 j c2 7 ， l 一慨 其中入射波为s 偏振波时= h ，c o s o j ；入射波为p 偏振波时 r j = n c o s o j 。n ，、r j 分别是第j 层膜的折射率和有效折射率； = 2 万一，d jc o s s j a ；够为第j 层膜中光线入射角；d 为膜层厚度；a 为 中心波长。 由于其在共焦光学系统中呈4 5 度倾角放置，所以膜系初始入射 角为4 5 度。根据折射定律可以方便的求出各层膜的光线入射角，从 而算出各个膜层的特征矩阵。整个k 层膜系的特征矩阵为 m = 舆蚂= 匀 晓8 ， 从而得到膜系的反射系数和透射系数 r：aro+brorz-c-dra( 2 9 ) 爿+ b l l o t l g + c + d t l o f = 瓦面而2 t l l ：瓦瓦 ( 2 l o ) 爿+ 曰砺，k 十c + d 叩g 、7 而反射率和透射率分别为r = ，r + ，t = t x t 。 请上海海光光学元件厂制作的多层膜系光学特性如图2 2 所示。 其在共焦系统中承担的任务为转折光路和有效的阻止红外光到达光 敏元件表面。在9 8 0 r i m 下的反射率可达9 9 ，在可见光下( 5 3 2 n m ) 的透过率的达9 0 。 采用共焦光学传感元件的隐形条码的检测二共焦光学传感器与红外上转换油墨检测 1o 0 5 r 2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 x i l f r i 图2 2 分束反射器的光学特性 2 2 2 光电探测器性能参数及其光谱响应曲线图 光学系统中采用2 e u l 2g a a s p 半导体光敏元件进行光电转换， 其对于大于7 0 0 n m 波长的光谱，具有完全截止的光电特性。其光谱 响应特性如图2 3 所示。其主要技术参数如下： 1 、光敏元件短路电流2 8 m a ( 2 8 5 6 k1 0 0 0 l u x ) 2 、光敏元件开路电压1 0 0 0 m v ( 2 8 5 6 k1 0 0 0 0 l u x ) 3 、光敏元件暗电流1 2 p a ( v r = 2 v ) 4 、光敏元件峰值响应波长6 1 0 n m 5 、截止响应波长7 0 0 n m 由于红外上转换材料被激发出的可见光较弱，光敏