Biometrische Identifikationssysteme IR-Lichtquellen für Iris-Scanner

Iris-Scanner und Gesichtserkennung in mobilen Geräten funktionieren zuverlässig mit IR-Lichtquellen.
Iris-Scanner und Gesichtserkennung in mobilen Geräten funktionieren zuverlässig mit IR-Lichtquellen.

Smartphone-Hersteller integrieren bereits Iris-Scanner und Komponenten zur 3D-Gesichtserkennung in ihre mobilen Geräte. Für kompakte und zuverlässige Systeme sind IR-Lichtquellen mit dem richtigen Verhältnis von Strahlstärke, Abstrahlcharakteristik und Wellenlänge nötig.

Sicherheitssysteme mit biometrischer Identifikation haben großes Interesse im Markt geweckt. Erste Anwendungsbeispiele sind der Einsatz in Zutrittskontrollsystemen in der Industrie oder bei der Einreisekontrolle am Flughafen. Mit einer wachsenden Anzahl von Benutzern, die sensible Transaktionen, wie Online-Banking, Einkäufe und andere Buchungen, über mobile Geräte tätigen, wird auch die fehlerfreie Benutzerauthentifizierung immer wichtiger.

Passwörter werden allgemein als die schwächste Authentifizierungsmethode betrachtet. Dagegen nehmen biometrische Methoden zum Entsperren von Mobilgeräten – vom Fingerabdruck- oder Iris-Scan bis hin zur Gesichtserkennung – rapide an Popularität zu. Der Grund dafür: Biometrische Identifikationssysteme konnten einen hohen Grad an Sicherheit und Zuverlässigkeit nachweisen und sind zudem sehr benutzerfreundlich.

Einzigartige menschliche Merkmale, wie Gesichtszüge, Irismuster, Handvenen oder Netzhautgefäße aber auch Sprache, Fingerabdrücke, Handabdrücke und die handschriftliche Signatur, werden mit zuvor gespeicherten biometrischen Daten von autorisierten Benutzern verglichen. Die Grundlage der meisten Systeme bilden optoelektronische Komponenten, die speziell für Sicherheitsanwendungen entwickelt wurden. Dabei ist eine optimale Ausleuchtung mittels spezieller Wellenlängen im Infrarotbereich entscheidend für die eindeutige Identifizierung und den Abgleich der betreffenden biometrischen Merkmale.

Die Forschung an biometrischen Technologien, die auf Infrarot-Leuchtdioden (IREDs) basieren, hat in der jüngeren Zeit einen großen Entwicklungssprung durchlaufen. Damit wurden die Grundlagen für die Entwicklung neuer Applikationen geschaffen, mit denen der Zugang zu sicherheitsbeschränkten Gebäuden, Geräten und Anwendungen zuverlässiger und anwenderfreundlicher bereitgestellt werden kann.

Iris-Scan

Iris-Scanner wurden in der Vergangenheit hauptsächlich für den Zutritt zu Sicherheitsbereichen in Gebäuden verwendet. Sie arbeiten noch zuverlässiger als Fingerabdrucksensoren und sind in der Regel sehr benutzerfreundlich. Heute genügt zum Beispiel ein Blick auf das Smartphone zum Entsperren des Geräts. Die Iris des Auges ist ein unverwechselbares Merkmal, verändert sich nicht mit dem Alter und eignet sich daher entsprechend gut für die biometrische Identifizierung. Das Risiko, dass die falsche Person Zugang erhält – bekannt als falsche Akzeptanz – liegt gerade einmal bei eins zu einer Million.

Ein Iris-Scanner besteht aus einem Emitter und einem Kamerasensor, die optisch getrennt hinter der Geräteabdeckung montiert sind (Bild 1). Ein Bandpassfilter über dem Detektor ist nur für die gewünschte Wellenlänge durchlässig und garantiert auch bei intensivem Umgebungslicht ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis. Der typische Arbeitsabstand beträgt etwa 20 bis 35 cm.

Die ersten Versuche, ein zuverlässiges Iris-Scanning in mobilen Geräten bereitzustellen, scheiterten am zu hohen Betriebsstrom, am Platzbedarf und den Kosten. Aus diesen Gründen konnte auch meist nur eine LED pro System verwendet werden. Die Qualität des Scans hängt jedoch wesentlich von einer exakten Ausleuchtung der biometrischen Merkmale und einem hohen Kontrast ab. Dafür werden im Idealfall für unterschiedliche Augenfarben verschiedene Wellenlängen verwendet: Für braune Augen infrarotes Licht, bei grünen und blauen Augen liefert sichtbares Licht die beste Bildqualität. Stationäre Systeme arbeiten deshalb mit LEDs verschiedener Wellenlängen. In mobilen Geräten muss stattdessen eine Lichtquelle gefunden werden, die für alle Augenfarben eine zuverlässige Erkennung gewährleistet.

Durch Entwicklungsfortschritte in der Miniaturisierung sowie neue Lichtquellen im Wellenlängenbereich von 810 nm können kompakte biometrische Identifikationssysteme nun umgesetzt werden. Osram Opto Semiconductors hat außerdem ein applikationsspezifisches Gehäuse mit angepasster Abstrahlcharakteristik entwickelt. Aus LED-Chip und Gehäuse wurde eine IR-Lichtquelle konstruiert, deren Wellenlänge, Bauteilgröße und Strahlstärke optimal für Iris-Scans geeignet ist.

Die SFH 4780S beruht auf einem effizienten Dünnfilm-Chip, in dem durch sogenannte Nano-stack-Technologie zwei Emissionszentren realisiert sind, um die optische Leistung zu maximieren. Das 3,5 ×3,5 × 2,4 mm große Oslux-Gehäuse ist mit einem Reflektor und einer innenliegenden Linse ausgestattet. So konnten die Entwickler ein Bauteil mit ebener, leicht zu verarbeitender Oberseite gestalten, das dennoch einen eng gebündelten Lichtstrahl aussendet. Mit einem Abstrahlwinkel von 20° liefert die IRED eine Strahlstärke von 2900 Milliwatt pro Raumwinkel (mW/sr). Für die Umsetzung von zuverflässigen Iris-Scannern in mobilen Geräten sind applikationsspezifische IR-Lichtquellen zwingend.

Neue Designmöglichkeiten

In Smartphones lässt sich selbst ein lediglich 2,4 mm hoher Infrarot-Emitter nicht immer unterbringen. Für eine hohe Signalqualität muss der Abstrahlwinkel der Lichtquelle auf das Sichtfeld der Kamera abgestimmt sein. Zusammenspiel von Lichtquelle und Kamera zu optimieren und so die Signalqualität zu verbessern, müssen IRED oder Kamera gekippt werden, was die Aufbauhöhe vergrößert (Bild 2, links). Der schräge Einfallswinkel einer in Regensburg neu entwickelten IRED vermeidet direkte Reflexionen vom Auge auf die Kamera und das Sichtfeld der Kamera wird optimal ausgenutzt.

Bilder: 3

IR-Lichtquellen für Iris-Scanner, Bilder 2-4

Bilder 2-4

Die SFH 4786S beruht auf demselben Chip wie die SFH 4780S (Bild 3), ist aber in ein 1,6 mm flaches Oslux-Gehäuse integriert. Eine weitere Neuerung ist
das spezielle Linsendesign, das einen 26° engen Lichtstrahl erzeugt, dessen Abstrahlrichtung um 8° gegenüber der Senkrechten gekippt ist. Damit entfällt der Aufwand, die IRED mechanisch zu neigen (Bild 2, rechts). Die Strahlstärke des Bauteils beträgt 1750 mW/sr bei 1 A und ist zugunsten eines etwas breiteren Abstrahlwinkels gegenüber der SFH 4780S leicht reduziert.

Bild 4 zeigt die Helligkeiten im Augenbereich bei einem Arbeitsabstand von 30 cm für beide Emitter. Die Beleuchtungsstärke beträgt in beiden Fällen rund 1,46 mW/cm2. Bei der SFH 4780S steigert sich dieser Wert zur Gesichtsmitte bis zu 2,43 mW/cm2 (Bild 4, links). Mit ihrem stark fokussierten Strahl eignet sie sich gut für die Beleuchtung von nur einem Auge, kann prinzipiell aber auch zum Scan beider Augen verwendet werden. Die etwas breiter emittierende SFH 4786S leuchtet dagegen die gesamte Augenpartie sehr homogen aus (Bild 4, rechts). An der asymmetrischen Helligkeitsverteilung ist die leicht verkippte Abstrahlrichtung der SFH 4786S klar zu erkennen.