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Infrarot-LED / Osram im Interview

IRED treiben neue Eye-Tracking-Anwendungen

19. Juli 2016, 15:33 Uhr | Nicole Wörner

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Welche Aspekte sind beim Lösungsdesign wichtig? Wo liegen derzeit noch die Schwachstellen?

Wichtig sind die konkrete Anordnung der Emitter und der Kamera sowie die Anzahl der eingesetzten IRED. Diese richten sich nach der jeweiligen Anwendung sowie nach Arbeitsabstand und Größe der abzudeckenden Fläche. Je nach Gerät und Einsatzzweck kann dabei die Reichweite eines Eye-Tracking-Systems zwischen 30 cm, wie beispielsweise bei Smartphones und Tablets, und 100 cm liegen. Der typische Arbeitsabstand für Desktop-Computer liegt bei etwa 60 cm. Die Auflösung auf dem Bildschirm entspricht der Rastergröße der Augen – für Tablets beträgt diese etwa 1 cm, für Computer ca. 2 cm. Gleichzeitig hängt die Geometrie des Designs davon ab, wie zuverlässig die Algorithmen die Orientierung der Pupillen erkennen. Um Blendlicht von Brillen oder direkte Reflexionen vom Auge in den Sensor zu vermeiden, müssen die Kamerasensoren und die Emitter in einem definierten Winkel und Abstand zueinander angeordnet sein. Je größer dieser Abstand ist, desto besser ist die Signalqualität und desto flexibler kann die optimale Distanz zwischen Nutzer und Gerät gewählt werden.

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Bei Iris-Scannern für Smartphones wird mit einer Wellenlänge von 810 nm gearbeitet. Gilt das auch für Eye-Tracking-Systeme?

Eye-Tracking arbeitet in einem breiten Spektralbereich und ist nicht an spezifische Wellenlängen gebunden wie Iris-Scanner. Allerdings setzen die Lösungen häufig auf den bereits vorhandenen Iris-Scan- oder Gesichtserkennungs-Systemen mit IRED im Bereich von 850 oder 810 nm Wellenlänge auf. Bei diesen nimmt das Auge einen schwachen roten Schein wahr. Viele Hersteller ziehen daher ein Eye-Tracking-Design mit 940 nm Wellenlänge vor, weil dieses Licht fast unsichtbar ist. Allerdings haben diese Systeme den Nachteil, dass herkömmliche Kamerasensoren für sichtbares Licht optimiert sind und ihre Empfindlichkeit im Infraroten absinkt. Bei 940 nm müsste die Ausleuchtung daher verstärkt werden, um auf eine Signalstärke wie von einer 850-nm-Lichtquelle zu kommen. Angesichts der zunehmenden Verbreitung der verschiedenen Anwendungen, die auf Basis infraroter Beleuchtung arbeiten, entwickeln Kamerahersteller bereits neue Kameravarianten mit einer höheren Infrarot-Empfindlichkeit.

Wo liegen derzeit noch die größten Schwachstellen der aktuellen Eye-Tracking-Systeme?

Idealerweise sollten beide Augen im Sichtbereich des Kamerasensors liegen und die Augenpartie gleichmäßig ausgeleuchtet werden. Dabei kann die Menge an infrarotem Licht, abhängig vom Abstand, bereits bei Mobilgeräten mehrere Watt betragen. Das Wärmemanagement ist und bleibt daher ein wichtiger Aspekt des Designs, vor allem bei den immer dünneren und leichteren Smartphones und Tablets. Um die durch hohe Betriebsströme entstehende Wärme zu senken, werden die Sender zum Beispielgepulst betrieben. Neben der optischen Leistung, spielt auch die Effizienz der IRED eine entscheidende Rolle: Je effizienter die infrarote LED, desto geringer die Wärmeentwicklung.

Was ist bei der Wahl der IRED zu beachten? Gibt es bereits infrarote LED, die den Anforderungen Rechnung tragen?

Effizienz und – vor allem bei mobilen Endgeräten – die Bauteilhöhe sind ausschlaggebende Kriterien. Die OSLON Black Series von Osram wurde speziell für solche Anwendungen entwickelt. Das Modell SFH 4715A erzielt eine Rekordeffizienz von 48 Prozent. Bei einem Ampere kommt der 850-nm-Sender auf eine typische optische Leistung von 770 mW und gilt damit als die effizienteste IRED ihrer Klasse. Stack-Varianten, die dank Nanostack-Technologie pro Chip zwei Emissionszentren besitzen, erreichen sogar eine noch höhere Leistung, so erzeugt die SFH 4715AS beim 1 A mit 1340 mW nochmals gut 74 Prozent mehr Licht. Es gibt zwei Versionen dieser IRED, mit einem Abstrahlwinkel von jeweils 90 und 150 Grad, die ein breites Spektrum verschiedener Designs bedienen. Für Anwendungen mit einer 940-nm-Lichtquelle gibt es eine Variante mit einer typischen optischen Leistung von 990 mW bei 1A. Auch die Bauteilhöhe der Oslon Black wurde mit 2,3 mm auf die Anforderungen heutiger und zukünftiger Smartphone-Designs ausgerichtet.

Wie sieht es mit der Augensicherheit aus?

Die infrarote Strahlung, die normale Nutzer erreicht, ist gering. Spezielle Vorkehrungen sind dennoch für Situationen nötig, in denen beispielsweise ein Wartungstechniker aus extrem geringem Abstand in die Lichtquelle blickt. Um die Sicherheit der Augen garantieren zu können, sollte ein Näherungssensor an das Eye-Tracking-System gekoppelt werden, der die IRED ab einem bestimmten Abstand zwischen Auge und Sensor abschaltet. Details zur sicheren Auslegung optischer Systeme gibt beispielsweise die Applikationsschrift zu Augensicherheit von OSRAM Opto Semiconductors.