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微纳光学技术与应用

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微纳光学技术与应用

微纳光学技术与应用范文第1篇

英文名称:Optics & Optoelectronic Technology

主管单位:湖北省科学技术协会

主办单位:华中光电技术研究所;湖北省光学学会

出版周期:双月刊

出版地址:湖北省武汉市

种:中文

本:大16开

国际刊号:1672-3392

国内刊号:42-1696/O3

邮发代号:38-335

发行范围:国内外统一发行

创刊时间:2003

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联系方式

微纳光学技术与应用范文第2篇

光学之芒,灿烂辉煌。在光学的领域里,他头顶着太多的“光环”,却没有丝毫松懈,肩负着无限重任,但始终沉着、坚毅。他渊博宽厚,抱定赤子之心,十余载春秋献身中国光学领域,他就是首都师范大学物理系研究员、系科研副主任张岩。

九天揽月鸿鹄志 步步为营创辉煌

在通往科学高峰的路上,张教授一路前行,品尝着希望与困难,交融着荣耀与汗水,深造期间,他用不懈的努力换来了中国光学科技前沿领域的重大突破。读研期间,他同导师刘树田教授一起在国内率先开展光学分数傅立叶变换的研究。为利用光学分数傅立叶变换进行信息处理铺平了道路。在中科院物理所攻读博士学位期间,开拓了分数傅立叶变换在光学信息处理领域中的应用,被评价是国内在现代光学技术科学领域研究工作中的优秀成果具有国际先进水平。

1999-2001年,他获得日本学术振兴会博士后基金资助,在日本山形大学工学部从事生物成像研究,被应用在实际的仪器上。2001-2002年,他在香港理工大学电子工程系从事光纤气体传感器研究。其研究内容被收录在《光纤传感技术新进展》一书中,已出版发行。2002-2003年,他在德国洪堡基金的资助下在德国斯图加特大学应用光学研究所任洪堡研究员,从事数字全息重建算法的研究,提出了利用相位恢复算法来进行数字全息重建的新方案,引起了同行的重视和肯定。这部分内容作为美国Nova Science出版社的新书《New Developments in Lasers and Electro-Optics Research》中的一章,已经出版发行。

2003年,他进入首都师范大学物理系工作,先后获得了北京市科技新星计划,北京市留学人员择优资助等人才项目的资助。作为北京市“太赫兹波谱与成像”创新团队的核心成员,主要从事太赫兹波谱与成像,太赫兹波段表面等离子光学和微纳光电子器件设计研究。他提出的多波长成像方法得到了美国Rice大学太赫兹研究者Mittleman的认可,被评价为不仅可以有效地增加成像范围,还可以提高信噪比。多篇论文被太赫兹领域的虚拟期刊收录。并于2007年和2009年分别到美国伦斯特理工大学和德国康斯坦茨大学进行访问研究。

欢声震地 惊退万人赢战绩

微纳光学技术与应用范文第3篇

关键词:光子晶体;硅基光电子学;集成光回路

中图分类号:TN256 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2017)08-0230-01

1 光子晶体

光子在传播时,遇到周期排布的介电常数材料,将会产生布拉格散射,因而会产生光子能带与带隙,使光子晶体具有光半导体的性质[1-2]。目前来说,我们主要靠对于缺陷的引入来实现对光子的局域化控制。缺陷有两种基本形式:线缺陷和点缺陷。当引入线缺陷时,对于处在光子晶体禁带能量的光子,它不能逃逸进入周围的光子晶体当中,因而只能沿着线缺陷的确定路径传播。光子晶体波导对于光的传输性能强过传统的波导物质,例如光纤。光纤依靠全反射作用来实现光的传输,但在较大转弯角处由于不再满足全反射条件而会有光子逃逸。在微纳尺度上使用光子晶体波导的传输效率更高。光子晶体凭借它的特点,被广泛研究。例如一些应用于各个不同的光频段,有的看重更低的损耗、小限制的传播窗口,还有一些则具有特殊用途(减缓光速)。

自从光子晶体的概念被提出以来,它就和它的蕴含的巨大应用价值联系在一起。[3]它那特有光子带隙能够抑制物质的自发辐射,而这可以用于制作全反射镜。另外,我们在其中引入缺陷,可以制成缺陷模,而缺陷模可以用制作微腔、波导、光开关、甚至人们熟知的激光器和探测器等等。总之,集成光电子学是光子晶体主要的活跃范围,但是同时光子晶体在其他各个方面也有着重要的应用价值,它可以提高现今不断走进我们日常生活的发光二极管的工作效率。

2 硅基光电子学

由于硅基半导体集成电路在生产规模和成本方面具有明显的优势, 所以现阶段人们尝试用硅作为制作纳米级电子器件的主要材料,来缩减在Ⅲ-Ⅴ族元素中寻找材料制作具有相同目的的微纳光电子器件的成本,现阶段人们凭借已知的硅在1.3~1.5μm通信波段具有的低功耗的优势,并以此为基础,已经成功生产出大量的硅基微纳光电子器件,就比如说此类的耦合器、光波导器件等。虽然说现阶段硅基微纳光电子器件已经具有相当明显的优势,但为了它在具体应用的过程中保证够达到预期的应用效果,我们需要对其部分性能进行有效的优化。只要硅基微纳光电子器件在性能方面能够不断地优化、我们的技术能够不断完善,它的应用空间就会得到扩展。

在对硅光晶体的研究中,我们已经看到:在硅基材料中引入光子晶体可以明显的提高它的发光效率。凭借这我们可以预见:随着新型硅基高效发光材料研究的不断深入,新型制备技术如电注入泵浦方法的突破和光子晶体物理性质研究的深入,以及对于高效硅基材料的发光特性使用光子晶体的局域光效应加以控制,就很有可能提高硅基材料的l光增益,以此实现拥有低阈值的硅基激光器制备,进而可以在微电子芯片中利用光子替代电子作为载体来实现光耦合互联,消除电子传播发热的劣势,这样就可以突破电子瓶颈效应。[4]

3 集成光回路

和普通的信息处理相似,信息处理“全光子化”,就是指利用光来进行信息传递。它的概念包涵了光信号的发出、它的调节、对光信号的接收、对于信号的处理、信号的返回的整个过程。作为光信号的来源的有源发光器以光子晶体为基础,光信号又受到光子晶体制成的光开关调节和制约。光子晶体波导还能实现对于信号的传输与分流的作用,根据第二节提到线缺陷波导的传输优势,能够实现高效率低损耗,每个分路又要经波分复用器件下载,各个分路中的光信号在各自受到新的调制后,重新汇聚到干路, 回到接收装置。因为每一部分的各个部件在所用材料与大小上近乎一致,我们知道,传统光学器件的大小在厘米尺寸,微小的加工误差都会导致其工作频率的较大改变,因而产生光模式不匹配的问题,都会有较大的功率损耗,微型化的光子器件能避免这一问题。同时相同材质大小统一也方便光路一体化的实现。再加之与日益成熟的制备技术相适应,将会为全光路信息传递集成化铺就道路。

4 问题分析与展望

二十多年过去了,经过这些年的发展,光子晶体理论已经不断发展完善,我们也已经在其原理、设计取得了不断进步。二维光子晶体的制备相对容易,已有诸如反应离子刻蚀和深紫外曝光等成熟技术。相对来说,对于集成光路更重要的三维光子晶体制备技术目前还不成熟,已有一些方法但还不能大规模集成化应用,因此是关键发展方向。但是现有制备技术还是不完美,仍然有许多难题、核心关键有待克服。例如,二维晶体中的误差控制,由于我们使用的光子频率都在纳米量级,晶体中几何上的微小误差都会导致对调制频率的影响,进而影响发射接收以及模式匹配。而我们需要将制备技术的精度提升到亚纳米量级,才可以制备出高Q值的微腔,我们需要这样一个可行的、简便的方法。随着光子晶体各种特殊现象、性质在被不断发现,一些新的研究方向随之提出,或许一些新的性质会随着人们对于光子晶体的不断发掘而被发现。

在硅基有源器件方面:我们仍对于满足电泵浦、通信波段、产品化的硅基光源探寻不深,其中就包括拥有低阈值特性的III-V键合光源,十分稳定的、使用低电压驱动的锗激光器,还有以Er离子为基础的电泵硅激光器;我们仍需在调制器上努力以满足需求。锗探测器的暗电流制约其发展,为能够大规模量产,需新技术降低暗电流。

在硅基无源器件方面:问题之一就是硅基波导材料实现低损耗需要特殊工艺处理,因而无法实现大规模电路集成;其二为实现光栅的高耦合效率需要增加反射层,使得工艺更为复杂;这些器件的加工工艺急需简化,使其能用标准的CMOS工艺制备。在硅基光电集成方面:怎样将光纤和波导高效耦合是一个难题;因为硅基光电子器件的多样性,所以需要化为统一标准。另外加工平台成本较高。此外,硅的高热光系数使得其光学性能受温度影响,这一点是器件设计上的难题。封装也不容忽视。因此,为了硅基光电子集成投入量产,我们需要在材料、工艺、设计等方面进行研究。

展望未来它将帮助我们实现高速、低能耗的探测器设计;拥有低损耗的硅基激光器;十分高效的硅基光电子集成;高计算速率的光电接口;大能够投入量产的大规模集成设备。

5 结语

在科学研究兴盛的当下,人们对于生产生活的需要往往能带动一种新的科学技术的出现与发展,没有人们需求的推动新的学说只是空想。新兴生产技术的完善与发展也是需要科研工作者们坚持不懈的探索与尝试。光子晶体独特的性质备受关注,全世界的科研人员都对它抱有浓厚兴趣,最初的概念现今已经拿出了实体成果,我们可以看出对于它的研究人们走过的路程。在光子晶体的实用方面,我们以降低制作难度,减小制作成本,降低不确定性与不稳定性为目标,这也是为实现光学集成所必须做出的虽然这里仍有许多难题等待突破,但是我们仍在为之奋斗。

参考文献

[1]彭英才,Seiichi Miyazaki,徐骏,陈坤基.面向21世纪的Si基光子学Chinese Journal of Nature.

[2]倪培根.光子晶体制备技术和应用研究进展.物理学报,第59卷第1期2010(1).

微纳光学技术与应用范文第4篇

【关键词】 机械工程 研发应用 发展策略

随着时代的发展与能源的耗费,21世纪人类社会面临资源枯竭、气候变暖、环境恶化、人口增加四个问题,面临着严峻挑战。我国要向“制造强国”的战略转变,要实现此战略转移,关键在于制造技术的不断发展,为了采取应对未来机械工程的发展,需要正确认识、预测工程面临这些挑战,并且加强制造科技创新能力,提升我国机械工程的不断发展[1]。

1 机械工程学科的定义与进展综述

1.1 机械工程学科定义

机械工程学科包括机械学和制造科学两大领域,主要是研究机械系统的性能、设计及制造的理论和技术的科学。其中机械学是研究机械结构和系统性能的学科,包括制造过程中的机构学、设计学、动力学、传动学、摩擦学、仿生机械学以及微纳机械学等;制造科学是研究制造过程及其系统的科学,制造科学包括产品设计、成形制造、加工制造、测量及仪器、表面功能结构制造、微纳制造以及制造系统运作管理等科学。

1.2 我国机械工程研究进展综述

机械工程研究推动世界制造技术发展的主要动力,我国的机械工程技术虽然起步较晚,但是在航空、家电、微电子、石化、工程机械等行业,机械工程自主创新以及取得了长足的发展,为我国机械工程发展提供了大批新理论、新技术和新方法,为促进我国经济发展提供了技术支持,下面将介绍我国机械工程重点领域的发展情况[2,3]。

1.2.1 机械动力学与传动学科发展

非线性动力学、复杂机电系统智能维护是当前机械动力学的前沿领域。闻邦椿率先提出振动利用工程的概念,采用动态设计方法,创建了振动利用工程学科。近年来,机械传动和控制的研究主要是高效、低能耗以及微型化。在相关的研究中,超声电机是较为典型的传动机械,它突破了传统电磁效应电机原理,具有结构简单、噪声低等优点。王家序等针对船舶推进系统的污染问题,提出了新型复合材料水动密封轴承,节省了大量贵金属、减少了对河海水的污染,得到了广泛应用。

1.2.2 仿生机械和生物制造领域发展

机械工程学科与纳米科学、生物科学的交叉近年来的研究热点,其中仿生机械学已经成为一门新学科。任露泉通过研究动物表面脱附减阻,采用仿真模拟和理论分析,开辟了我国机械仿生学领域,近年来根据该理论研制的机械已经应用于农业机械和国防工程。

1.2.3 机械测量学科领域发展

近年来机械工程研究中,机械测量产生原创性成果最多的领域,关于极端环境条件、智能数字化以及尺寸的测量是测量领域的主要发展方向。叶声华等利用多种靶标特殊几何结构,制备了能够用于空间大尺寸测量的装置,测量结果稳定性好,现已用机和汽车工业。张书练等正交偏振激光器为核心,研发了精密测量仪器。秦树人等提出了“智能虚拟控件”概念,并在此基础上研制获得可直接用于组建仪器产品的虚拟产品,该技术已经广泛用于教学测量分析中。

1.2.4 加工制造与设计学科领域

加工制造学科的发展重点在于高效、高精度以及柔性数字智能自动化制造技术的研究。康仁科等针对天线罩电性能的特殊要求,构建相关的理论模型,实现了测量加工一体化的精密修磨技术。谭建荣提出并实现了产品配置等4项设计技术,从而实现了机电产品的功能定制设计。黄庆学等自主设计制造中厚板剪切装备,打破了国外产品的垄断局面。韩旭提出高精度数字化模型的建模方法,提出了应用于汽车零部件的结构优化设计技术。

1.2.5 微纳制造与纳米加工领域

目前微型机械系统发展的主要趋势是工程性能优化、智能系统集成、批量低成本;而纳米加工主要研究是材料加工方法、尺度效应、纳米结构及系统的制造。在微纳系统设计制造方面,苑伟政等提出了MEMS集成设计工具,支持惯性、压力、光学、射频等器件的建模、仿真与分析,能够为机械、电子等不同工程背景设计人员提供多层次、多入口的任意流程设计。

纳米加工领域主要研究是纳米纳米梁、桥、探针、纳机电谐振器结构。董申等采用原子力显微镜机械耕犁加工方法,加工出多种复杂纳结构。周明等在飞秒激光生物分子纳米加工。中科院物理所成功研制出具有对称式机械结构的双探针扫描隧道显微镜探头,提高了STM系统的信噪比,并应用于实际。

2 机械工程科学发展总趋势

我国的在机械工程科学虽然已经取得较大的进展,但是总体上还处于落后状态。未来机械工程学科将主要受到制造业的创新发展和学科的演变进步的推动与制约,因此我国机械工程新技术的发展,需要适应全球化、信息化、绿色化、知识化和极端化的总趋势发展,为制造业提供先进的制造技术。由于我国资源和环境将在未来面临空前的严峻挑战,因此机械工程新技术的发展需要重视环境的保护、材料和能源的节省以及新能源制造领域的研究[4]。

3 机械学发展展望

(1)机械工程学科中机构学是代表性学科之一,因为机构学研究注重机构学基础理论以及注重与制造的学科交叉,从而使机械工程理论与关键技术能够同时取得突破,制备开发出性能优良的设备,在机器人机构、工程机械、以及仿生机构等工程机构学大有用武之地。

(2)我国的机械设计理论与技术落后,导致中高端技术装备中自主产权的产品少,因此应该重点推动复杂系统总体设计、复杂机电系统的概念设计、设计支撑系统、基于网络的系统性能仿真虚拟设计等领域的理论、方法和技术的发展,提升机械设计的发展。

4 结语

目前我国的机械工程科学还处于相对落后的阶段,具有较大的发展空间,为了促进我国机械工程新技术的发展,需要制定学科的长远发展规划,加强原创性理论研究以及新技术方法的支持力度,力争在2020年前后,使我国的机械与制造学科总体上进入国际先进行列,促使我国制造业产生更多的高技术产品和世界名牌企业。

参考文献:

[1]中国科学技术协会.2008―2009机械工程(机械制造)学科发展报告[M].北京:中国科技出版社,2009.

微纳光学技术与应用范文第5篇

关键词:集成化;微光学标签;微型二维码;小透镜阵列

中图分类号:TP309.7 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2013)03-0015-03

0 引 言

随着科学技术的不断发展,各种条形码正快速地进入人们日常生活和工作的各个方面,给人们的生活和工作带来了极大的便利[1]。目前,一维条码和射频识别(RFID)在社会上应用非常广泛,但随着应用领域的不断扩大,一维条码和RFID也开始显现出了它们的不足。例如,存储容量小,安全性低,体积大,价格贵等[2]。在2009年,美国麻省理工学院多媒体实验室研究人员发明出了一种光学标签,它存储的数据要比同样尺寸条形码多数百万,而且还没有RFID的安全疑虑,同时这种名为Bokode标签的大小只有3 mm,比传统条形码小很多[3]。在2011年,南京邮电大学光电工程学院设计并制作了有源和无源微光学标签系统[4-5]。本文根据Bokode标签原理设计并制作一种集成化微光学标签系统,其发射端采用集成化方式,接收端用手机相机接收。该系统能低成本、大规模地应用微光学标签。

1 微光学标签系统结构与原理

微光学标签系统结构如图1所示,其主要包括集成化发射端和接收端两个部分。集成化发射端由LED、微型二维码、小透镜组成;接收端采用手机相机接收微型二维码图像,并利用手机中解码软件来解码。由于手机相机焦距和光圈都已确定,要满足标签微型化及手机相机接收要求,我们主要设计发射端,即微光学标签。

微光学标签系统原理图如图2所示。微光学标签小透镜为孔径光阑,其孔径为b,焦距为fb,微型二维码位于微光学标签小透镜的物方焦面上;手机相机物镜为视场光阑,其孔径为a,焦距为fc;u为探测距离。在文献[3]中,由于公式的推导是基于相机探测距离u远远大于fb的情况,没有考虑到近距离探测情况,不具有普遍性,所以本文下面将具体探讨一般情况下公式的推导。在一般情况下,需要考虑到视场光阑的因素,视场光阑通过其前面小透镜在物空间中成的像a为入窗,它限制了能观测到的微型二维码。设能够看到的微型二维码码块尺寸为d,入窗与微型二维码的距离为x,F到相机物镜中心的距离为x。根据牛顿公式xx=fb2和垂直放大率公式[6]=x/fb得a=a=afb/x,再由计算。再运用光学系统共焦成像放大率公式[6]算出微型二维码成像码块尺寸:

2 集成化发射端的设计与制作

2.1 微光学标签的设计

中国移动使用的QR Code标准为GB/T 18284—2000,该标准中的最高容量版本40的模块数为177×177[7]。为满足终端装置即手机的识读,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:

(177×2)×(177×2)=354×354=125 316

我们选用诺基亚N8手机作为标签的接收器,该手机图像传感器的分辨率为4 000×3 000=1 200万,因而有足够的分辨率冗余度。

手机相机的光圈F为2.8,焦距fc的大小为5.9 mm,根据公式F=fc / a [8]可知手机相机镜头的光圈孔径为a=fc / F=2.11 mm。手机相机图像传感器的尺寸是dmax=7176×5319 m,像素大小为1.8 m,但能够分辨和识别的二维码的最小尺寸是dmin=354×1.8 m=0.6372 mm。

本文选用精度为40 m的光绘机来制作微型二维码,微型二维码的模块数为25×25,则微型二维码码块尺寸d=25×40 m=1 mm。由于手机相机能够分辨和识别的微型二维码的最小尺寸为0.637 2 mm,而我们要制作的二维码码块尺寸大于最小尺寸,因此满足要求。

由于二维码像尺寸d与探测距离u之间具有关系d=fca/u,所以分辨条件d≥dmin给出系统的接收距离范围是:

u≤fca/dmin=5.9×2.11/0.637 2=12.45/0.637 2=19.54 mm

即探测距离u最大值是19.54 mm。若探测时超过这个探测距离最大值,则图像无法正确解码出。

本文设计的集成化发射端如图3所示,其中小透镜用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)来制作,折射率为1.49,小透镜球冠高度h=r,孔径直径D=2r,微型二维码置于小透镜的焦面上,于是得出单球面折射透镜的焦距[9]:

根据得出的u≤fca/dmin和fb=3r,有:

得:

同时还要考虑微型二维码图像放大,有:

得。所以本文可取r=1.8 mm,则要制作的小透镜焦距 fb=5.4 mm。

根据上面的数据所设计出的微型二维码阵列和小透镜阵列部分如图4所示。微型二维码阵列为39×54,码块尺寸为1 mm,两码块之间的距离为0.5 mm;小透镜阵列为13×18,球冠高度为1.8 mm,孔径大小为3.6 mm,焦距为5.4 mm,两透镜之间的距离为0.9 mm;两小透镜的中心间距、微型二维码码块与相邻第三个码块的中心间距都为4.5 mm。

2.2 微型二维码的制作

现将南京邮电大学使用软件PsQREdit_chs_v2.42按照纠错能力15%转换为QR二维条码,然后用激光光绘机来制作微型二维码,其制作成的一张微型二维码阵列部分图如图5所示。

2.3 小透镜阵列的制作

小透镜阵列是一系列口径在几个毫米的小型透镜按一定排列组成的阵列[10]。由天津微纳制造技术有限公司采用静态铸塑法制作的小透镜阵列如图6所示,所制作成的小透镜阵列为13×18规格,小透镜孔径为3.6 mm,焦距为5.4 mm,两透镜之间的间隔为0.4 mm。静态铸塑法又称浇铸法,是指将已准备好的浇铸原料注入一定的模具中,使其发生聚合反应而固化,从而得到与模具型腔相似的制件[11]。

2.4 微型二维码与小透镜的集成

我们先把495胶水涂抹在13×18小透镜阵列上,接着再把微型二维码阵列对整地粘贴在小透镜阵列上,最后采用CO2激光切割机来切割它们,切割完后就能得到一个个微型二维码与小透镜的集成化小单元。

3 实验结果

实验时,可用LED作为光源,并调整手机相机与小透镜之间的距离,稳定后用手机相机读取微型二维码,之后再用软件PsQREdit_chs_v2.42解码,看看解码结果是否正确。实验时,分别调整手机相机与小透镜之间的距离为10 mm、19.54mm、25 mm。

当手机相机与小透镜之间的距离为10 mm时,读取结果和解码结果分别如图7所示。这时,微型二维码在手机相机的CMOS上成像变大,图像较模糊,但是解码结果和编码信息是一样的,证明所设计的微光学标签可行。

当手机相机与小透镜之间的距离为19.54 mm时,读取结果和解码结果分别如图8所示。这时,微型二维码在手机相机的CMOS上成像变小,图像最清晰,而且解码结果和编码信息是一样的,证明了我们设计的微光学标签可行。

当手机相机与小透镜之间的距离为25 mm时,读取结果和解码结果分别如图9所示。这时,微型二维码在手机相机的CMOS上成像变得更小,图像模糊,而且解码结果不成功,说明了超出最远探测距离时,用手机相机将无法识读微型二维码。

4 结 语

随着物联网技术的广泛应用,为了能够低成本、大规模地应用微光学标签,微光学标签的发射端采用集成化方式设计,从而能使微光学标签在社会上得到普及应用。同时,接收端采用手机相机进行接收,这样能使人们更方便地知道微光学标签信息。微光学标签与手机相机的结合是信息技术发展的结果,所以微光学标签普及应用之后,手机相机就不仅仅是拍摄图像的工具,同时也可以是信息传递的工具。

参 考 文 献

[1] 中国物品编码中心. 条码技术与应用[M]. 北京: 清华大学出版社,2003.

[2] 计库.二维条码与一维条码、RFID比较[J]. 中国自动识别技术,2008(3):32.

[3] ANKIT Mohan, GRACE Woo, SHINSAKU Hiura, et al. RasKuBokode: imperceptible visual tags for camera based interaction from a distance [J]. ACM Transactions on Graphics, 2009,28(7): 27-34.

[4]林武,梁忠诚,张浩.有源加密型微光学标签的设计与制作[J].物联网技术,2012,2(3):25-28.

[5]张浩,梁忠诚,林武,等.无源微型可视化光学标签系统的设计[J].物联网技术,2012,2(4):22-24.

[6] 石顺祥,张海兴,刘劲松.物理光学与应用光学[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.

[7] ISO. ISO/IEC:18004:2006 QR code 2005 bar code symbology specification [S]. Geneva:ISO, 2006.

[8] 安连生. 应用光学[M]. 北京:北京理工大学出版社,2002.

[9] 胡玉禧. 应用光学[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2009.

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