Unauffällige Inaugenscheinnahme: Optische Erfassungsmethoden in elektronischen Geräten – beispielsweise Iris-Scanner – erkennen, ob die jeweilige Person berechtigten Zugang hat.

Unauffällige Inaugenscheinnahme: Optische Erfassungsmethoden in elektronischen Geräten – beispielsweise Iris-Scanner – erkennen, ob die jeweilige Person berechtigten Zugang hat. Osram

Biometrische Erkennungsverfahren machen Schluss mit komplizierten Passwörtern und deren Verwaltung. Statt ausgeklügelter Zeichenfolgen reicht das Auflegen von Finger oder Hand, ein Scan von Gesicht oder Augen (Iris-Scan), um Zugang zum eigenen Smartphone, Computer oder Tablet zu erhalten. Die Technik erfasst individuell charakteristische Merkmale wie den Fingerabdruck oder das Iris-Muster der Augen und gleicht diese Informationen mit vorab gespeicherten Nutzerdaten ab. Biometrische Verfahren sind seit langem in der Zugangskontrolle und teilweise bei Einreisekontrollen im Einsatz. Bei Iris-Scannern sind Infrarot-LEDs (IREDs) zur Ausleuchtung der Augen beziehungsweise der Iris ein ganz wesentliches Bauelement für solche Geräte. Der Halbleiter-Hersteller Osram Opto Semiconductors beschreibt, wie diese Identifikationstechnik funktioniert und was die IREDs dazu leisten müssen.

Eckdaten

Biometrische Identifizierungsverfahren wie der Iris-Scan sind soweit ausgereift, dass sie jetzt im Massenmarkt für Computer und Smartphones eingesetzt werden. Die industriellen Anwendungen für Iris-Scanner in Maschinen und Anlagen, etwa zur Identifikation berechtigter Personen für die Bedienung von Maschinen in Fertigungsbereichen, hinken noch hinterher. Grundlegende Bauteile für diese Scanner sind Infrarot-LEDs (IREDs). Osram Opto Semiconductors stellt eine Vielzahl solcher IREDs her, die für die speziellen Bedürfnisse dieser Erkennungstechnik ausgelegt und angepasst sind. Erst diese Anpassungen haben den Bau zuverlässiger Gesamtsysteme ermöglicht.

Computeranwendungen treiben die Entwicklung

Seit kurzem verfügen Computer, Tablets oder Smartphones über solche biometrische Schutzsysteme. Deren Bedeutung wächst in dem Maß, in dem unsere digitalen Begleiter immer mehr sensible Informationen tragen. Deshalb überrascht es nicht, dass das neue Betriebssystem Windows 10 mit der Funktion „Hello“ die Fingerabdruck- oder Iris-Scans sowie Gesichtserkennung unterstützt. Als Folge werden immer mehr Endgeräte die nötige Hardware aufweisen, und den Nutzern wird bald der Blick in die Kamera oder das Auflegen des Fingers so leicht von der Hand gehen wie die Eingabe von Passwörtern.

In der Industrie eignen sich biometrische Identifizierungsverfahren zur Identifikation berechtigter Personen für die Bedienung von Maschinen in Fertigungsbereichen, etwa an Panels zur Maschinensteuerung. Im Automobil können biometrische Identifizierungssysteme zusätzlichen Diebstahlschutz bieten oder den Zugang zu den verschiedenen IT-Diensten im Auto regeln. Die Gebäudetechnik nutzt die biometrische Zugangskontrolle bereits vereinzelt als zusätzlichen Schutz am Hauseingang, ebenfalls gibt es biometrische Identifizierungssysteme bereits an Bankomaten, beispielsweise in Japan. In diesen Branchen besteht Interesse an neuen, baulich einfacheren Iris-Scannern, die zum Beispiel flach genug sind, um sie direkt in Bedienpanels, beispielsweise im Aufzug sowie direkt in die Türe oder das Klingeltableau zu integrieren. In der Industrie sind bereits stationäre, vergleichsweise aufwendige Iris-Scanner für die Zutrittskontrolle zu Hochsicherheitsbereichen im Einsatz. Für Industrieanlagen ist unter anderem der niedrige Stromverbrauch der neuen Iris-Scanner attraktiv, beispielsweise im Hinblick auf Bedienpanels ohne direkte Stromversorgung, die für Energy Harvesting (Energiegewinnung aus der Umgebung) oder Batteriebetrieb ausgelegt sind. Noch allerdings treibt der Schutz mobiler Geräte die Entwicklung bequemer und kompakter Lösungen zur biometrischen Identifizierung voran.

Infrarotes Licht macht charakteristische Muster sichtbar

Es gibt eine Reihe individueller Charakteristika, die sich für die biometrische Identifizierung eignen, viele davon werden optisch erfasst. Am bekanntesten – und bereits in elektronischen Geräten realisiert – sind Fingerabdruckscanner. Dabei liegt der Finger auf einer Glasfläche auf, hinter der eine IRED und ein Kamerasensor montiert sind. Das Licht strahlt unter einem bestimmten Winkel auf das Glas, sodass es nur von den angedrückten Papillarlinien des Fingers auf den Kamerasensor reflektiert. Besonders in Geräten mit Touchscreens zeigt sich eine Schwäche der Methode, denn die Nutzer hinterlassen ihre eigenen Fingerabdrücke auf dem Display. Hacker konnten verschiedentlich Systeme mithilfe dieser Spuren knacken. Eine Herausforderung für die sichere Identifizierung des richtigen Nutzers besteht außerdem darin, dass sich der Fingerabdruck eines Menschen durch Verletzungen und mit dem Alter verändert.

Bild 1: Aufbau eines Iris-Scanners: Eine leistungsstarke IRED leuchtet den Augenbereich des Nutzers aus, ein Kamerasensor registriert das von den Augen reflektierte Licht. Aus diesem Bild wird das charakteristische Iris-Muster ausgemessen.

Bild 1: Aufbau eines Iris-Scanners: Eine leistungsstarke IRED leuchtet den Augenbereich des Nutzers aus, ein Kamerasensor registriert das von den Augen reflektierte Licht. Aus diesem Bild wird das charakteristische Iris-Muster ausgemessen. Osram

Ein anderes biometrisches Merkmal ist das Venenmuster der Hand. Auch Venenscanner sind bereits in manchen Notebooks oder Tablets integriert. Die Technik benötigt infrarotes Licht, denn das sauerstoffarme Blut in den Handvenen absorbiert in eben diesem Spektralbereich. Strahlt man mit infrarotem Licht auf die Handinnenfläche, dringt es tief genug in die Haut ein, um vom Venenblut absorbiert zu werden. In einer Aufnahme des reflektierten Lichts erscheinen die Venen dann als dunkles Muster. Geeignete Lichtquellen für Venenscanner sind IREDs mit 850 nm Wellenlänge. Venenscanner können praktisch nicht geknackt werden, weil sie ein Merkmal aus dem Körperinneren heranziehen, das sich nicht aus Fotos extrahieren lässt.

Auch Systeme zur Gesichtserkennung findet man heute vereinzelt in mobilen Geräten. Sie nehmen ein Bild des Nutzers auf und werten dieses hinsichtlich bestimmter geometrischer Charakteristika wie dem Abstand von Augen, Nase und Mund zueinander aus. Man braucht Aufnahmen hoher Qualität, um sicherzustellen, dass diese Merkmale zuverlässig und korrekt ermittelt werden. Dafür muss das Gesicht gleichmäßig und ohne Schatten hell ausgeleuchtet sein. Für stationäre Systeme lässt sich dafür der jeweilige Ort entsprechend beleuchten.

Mobile Geräte dagegen werden in unterschiedlichsten Umgebungslichtverhältnissen benutzt, sodass eine integrierte Lichtquelle das Gesicht ausleuchten muss. Infrarotes Licht bietet sich an, denn es ist unauffällig und blendet den Nutzer nicht. Als passende Wellenlänge hat sich ebenfalls 850 nm etabliert, denn in diesem Spektralbereich zeigen die gängigen Kamerasensoren, die für sichtbares Licht ausgelegt sind, noch eine gute Empfindlichkeit. Gleichzeitig sind 850 nm für Menschen nur noch als schwacher roter Schein wahrnehmbar. Manche Nutzer schätzen diesen Effekt sogar, weil er anzeigt, dass die Gesichtserkennung gerade aktiv ist. Ganz vermieden werden könnte dieser „red glow“ nur mit 940-nm-IREDs in Kombination mit Kamerasensoren, die im infraroten Spektralbereich eine verbesserte Empfindlichkeit aufweisen.

Bild 2: Um das verfügbare Licht möglichst effizient zu nutzen, ist in Iris-Scannern die IR-LED (IRED) oft gekippt, damit Lichtkegel und Einfallswinkel der Kamera möglichst gut überlappen (li.). Osram hat deshalb eine IRED mit einer entsprechend gekippten Abstrahlrichtung entwickelt (re.).

Bild 2: Um das verfügbare Licht möglichst effizient zu nutzen, ist in Iris-Scannern die IR-LED (IRED) oft gekippt, damit Lichtkegel und Einfallswinkel der Kamera möglichst gut überlappen (li.). Osram hat deshalb eine IRED mit einer entsprechend gekippten Abstrahlrichtung entwickelt (re.). Osram

In mobilen Geräten gelten besondere Einschränkungen hinsichtlich Platzbedarf und Stromverbrauch. Systeme zur Gesichtserkennung müssen deshalb mit nur einem  Sender auskommen und benötigen besonders leistungsstarke und effiziente IRED. Typischerweise wird das Gesicht aus einer Entfernung von bis zu 60 cm in einem Blickfeld von 70° bis 90° gleichmäßig ausgeleuchtet. Realisieren lässt sich dies mit kompakten und relativ breit abstrahlenden IREDs wie zum Beispiel der Oslon Black SFH 4716AS. Der IR-Sender mit einer Baugröße von 3,85 x 3,85 x 1,51 mm und einem Abstrahlwinkel von 150° hat eine typische optische Leistung von 1300 mW bei 1 A Stromstärke. Eine kleinere Variante ist die Synios SFH 4770S mit einer Baugröße von 2,8 x 2,0 x 0,6 mm3, 120° Abstrahlwinkel und typischerweise 1200 mW optischer Leistung bei 1 A Stromstärke. Wegen ihrer geringen Höhe von nur 0,6 mm eignet sich diese IRED besonders für Systeme in Smartphones.

Iris-Erkennung – fälschungssicher und zuverlässig

Als ausgesprochen fälschungssicher und zuverlässig gilt die Identifizierung anhand des Iris-Musters der Augen. Iris-Scanner leuchten eines oder beide Augen mit infrarotem Licht bestimmter Wellenlängen aus, nehmen mit einem Kamerasensor ein Bild der Iris auf und ermitteln daraus ihr charakteristisches Muster. Das Irismuster verändert sich nicht mit dem Alter und unterliegt auch keinen äußeren Einflüssen, so dass die Nutzer sehr zuverlässig korrekt identifiziert werden. Nun entdecken die Hersteller elektronischer Geräte die Technik als sichere und kompakte Alternative zum Fingerabdruckscan. Erste Smartphones bieten diese Ausstattung bereits an, weitere sind angekündigt.

Bild 3: Die IR-LED (IRED) SFH 4786S bietet mithilfe eines speziellen Linsendesigns eine leicht gekippte Abstrahlrichtung und ermöglicht so ein flacheres Design des Gesamtsystems.

Bild 3: Die IR-LED (IRED) SFH 4786S bietet mithilfe eines speziellen Linsendesigns eine leicht gekippte Abstrahlrichtung und ermöglicht so ein flacheres Design des Gesamtsystems. Osram

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

Wenig Platz- und wenig Strombedarf

Die Integration von Iris-Scannern in mobile Geräte stellt eine Reihe neuer Anforderungen an die Lichtquelle. Um das Iris-Muster zuverlässig zu ermitteln, benötigt man sehr kontrastreiche Aufnahmen. Traditionell gelingt dies für unterschiedliche Augenfarben mit verschiedenen Wellenlängen. Für braune Augen benötigt man 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 Funktion gewährleistet. Heute hat sich dafür die Wellenlänge 810 nm etabliert. Zusätzlich zur passenden Wellenlänge muss der Sender genügend Licht liefern, um den gewünschten Bildkontrast zu gewährleisten. Dafür benötigt man neben einem leistungsstarken Chip auch ein Gehäuse, das möglichst alles erzeugte Licht auf den Zielbereich lenkt.

Bild 4a: Helligkeiten in der Augenpartie bei einem Arbeitsabstand von 30 cm mit der IR-LED SFH 4786S: Diese LED erreicht eine homogene Beleuchtung beider Augen.

Bild 4a: Helligkeiten in der Augenpartie bei einem Arbeitsabstand von 30 cm mit der IR-LED SFH 4786S: Diese LED erreicht eine homogene Beleuchtung beider Augen. Osram

Osram hat deshalb nicht nur seinen Wellenlängenbereich für IREDs auf 810 nm erweitert, sondern auch ein Gehäuse mit spezieller Abstrahlcharakteristik entwickelt. Das Ergebnis ist ein Sender mit einer bis heute bestmöglichen Kombination aus Wellenlänge, Bauteilgröße und Strahlstärke. Das entsprechende Bauteil mit der Bezeichnung SFH 4780S beruht auf einem hocheffizienten Dünnfilm-Chip, in dem mithilfe der Nanostack-Technik zwei Emissionszentren realisiert sind, um die optische Leistung zu maximieren. Das Oslux-Gehäuse mit den Abmessungen 3,5 x 3,5 x 2,4 mm3 ist mit einem Reflektor und einer innenliegenden Linse ausgestattet. So konnten die Entwickler ein Bauteil mit ebener, leicht zu verarbeitender Oberseite realisieren, das dennoch einen eng gebündelten Lichtstrahl aussendet. Mit einem Abstrahlwinkel von 20° liefert die IRED eine Strahlstärke von 2900 Milliwatt pro Raumwinkel (mW/sr) und bietet damit ein sehr gutes Verhältnis von Bauteilgröße und Leistung am Markt. Erst die Verfügbarkeit einer derart an die Anwendung angepassten IRED hat den Bau zuverlässiger Iris-Scanner in mobilen Geräten ermöglicht.

Sender mit schräger Abstrahlrichtung erleichtert das Design

In Smartphones lässt sich allerdings selbst ein 2,4 mm niedriger Sender nicht immer unterbringen. Zudem müssen IRED oder Kamera gekippt werden, um das Zusammenspiel von Lichtquelle und Kamera zu optimieren und so die Signalqualität zu verbessern (Bild 2). Diese Maßnahme erhöht den Aufbau weiter. Der schräge Einfallswinkel vermeidet direkte Reflexionen vom Auge auf die Kamera und hilft, das Sichtfeld der Kamera optimal auszunutzen. Diesen Bedürfnissen begegnet der Sender SFH 4786S (Bild 3). Er beruht auf demselben Chip wie die SFH 4780S, ist aber in einem 1,6 mm flachen Oslux-Gehäuse verbaut. Völlig neuartig ist das spezielle Linsendesign, das einen 26° engen Lichtstrahl erzeugt, dessen Abstrahlrichtung um 8° gegenüber der Senkrechten verkippt ist. Damit entfällt der Aufwand, die IRED mechanisch zu neigen. Die Strahlstärke des Bauteils beträgt 1750 mW/sr bei 1A, und ist zugunsten eines etwas breiteren Abstrahlwinkels gegenüber der SFH 4780S leicht reduziert.

Bild 4b: Helligkeiten in der Augenpartie bei einem Arbeitsabstand von 30 cm mit der IR-LED SFH 4780S: Der stark fokussierte IR-Strahl ist optimal, um ein Auge zu erfassen.

Bild 4b: Helligkeiten in der Augenpartie bei einem Arbeitsabstand von 30 cm mit der IR-LED SFH 4780S: Der stark fokussierte IR-Strahl ist optimal, um ein Auge zu erfassen. Osram

Die Bilder 4a/4b zeigen für beide Sender die Helligkeiten im Augenbereich bei einem Arbeitsabstand von 30 cm. Die Beleuchtungsstärke beträgt in beiden Fällen gut 1,46 mW/cm2, für die SFH 4780S steigt dieser Wert zur Gesichtsmitte sehr steil auf bis zu 2,43 mW/cm2 an. Mit seinem stark fokussierten Strahl ist dieser Sender optimal für die Erfassung von nur einem Auge, eignet sich aber noch gut für einen Scan beider Augen (Bild 4a). Die etwas breiter emittierende SFH 4786S (Bild 4b) gewährleistet dagegen eine sehr homogene Ausleuchtung des gesamten Augenpartie. Klar zu erkennen an der asymmetrischen Helligkeitsverteilung ist die leicht verkippte Abstrahlrichtung der SFH 4786S.

Wie für alle Anwendungen, bei denen Augen infrarotem Licht ausgesetzt sind, gelten auch für Iris-Scanner und Gesichtserkennungssysteme die Richtlinien für Augensicherheit. Hinweise für die normengerechte Auslegung optischer Designs geben die Osram Applikationsschriften zu Augensicherheit und zu Iris-Scannern.