Infrarot-LED für biometrische Identifizierungsverfahren in mobilen Geräten

Bild 1: Immer öfter enthalten Smartphones und Tablets sensible Informationen und müssen deshalb vor unberechtigtem Zugriff geschützt werden. Die Nutzer-Identifikation anhand unverwechselbarer Körpermerkmale bietet eine bequeme Alternative zu Passwörtern.Osram Opto Semiconductors

Seine Fingerabdrücke, die Muster der Iris, der Verlauf der Venen in der Handfläche oder die Stimme sind einzigartige Merkmale eines jeden Menschen. Um zugangsberechtigte Personen zu identifizieren, erfassen und überprüfen Hochsicherheitsbereiche oder das militärische Umfeld seit langem solche persönlichen Merkmale. Auch an manchen Einreisekontrollen finden sich Fingerabdruck- oder Iris-Scanner. Nun erschließt sich die Biometrie in der Entsperrung mobiler Geräte ein neues Anwendungsfeld (Bild 1). Ein solcher Schutz wird nötig, weil immer mehr Menschen sensible Angelegenheiten wie Bankgeschäfte, Einkäufe oder ihre berufliche Kommunikation an Smartphones oder Tabletcomputern erledigen.

In der Biometrie sehen viele Hersteller eine sichere und bequeme Alternative zu komplexen Passwörtern. Biometrische Sensoren erfassen bestimmte Merkmale und gleichen sie mit vorab gespeicherten Mustern der berechtigten Personen ab. Ein Maß für ihre Güte ist ein möglichst niedriges Risiko, dass nicht berechtigte Personen Zugang erhalten (Falschakzeptanz), sowie eine geringe Abweisungsrate zugelassener Personen (Falschabweisung).

Optische biometrische Sensoren

Optischen Fingerabdrucksensoren begegnet man zum Beispiel an manchen Einreisekontrollpunkten. Sie bestehen aus einer Lichtquelle und einem Kamerasensor unter einer Glasabdeckung, auf die der Finger aufliegt. Das Licht fällt unter einem bestimmten Winkel auf das Glas, sodass nur diejenigen Strahlen auf den Sensor reflektiert werden, die an den angedrückten Papillarlinien des aufgelegten Fingers streuen. Als Lichtquelle dient eine LED oder eine infrarote LED (IRED). Soll der Sensor möglichst unauffällig sein, bieten sich IRED mit 850 nm Wellenlänge an. Ihr Licht ist für Menschen kaum mehr sichtbar, wird aber von den Kamerasensoren noch sehr gut registriert.

Auch manche Smartphones oder Tablets verwenden Fingerabdrucksensoren, meist sind dies kapazitive Systeme. Ein Schwachpunkt ist allerdings, dass die Nutzer auf den Touchscreens ihre Fingerabdrücke selbst hinterlassen. Hacker haben bereits verschiedene Smartphones geknackt, indem sie die Fingerabdrücke verwendeten, die sie auf dem Display gefunden haben.

Schau mir in die Augen

Gesichtserkennung wird ebenfalls für mobile Geräte eingesetzt. Die eingebaute Kamera fotografiert den Nutzer und die Software ermittelt typische, nicht der Mimik unterliegende Gesichtsmerkmale. Bei schlechten Lichtverhältnissen wird der Sensor ohne zusätzliche Beleuchtung allerdings unzuverlässig. Gesichtserkennungssensoren konnten bereits mit Fotos überlistet werden und sind häufig mit Spracherkennungssystemen kombiniert.

Die Identifizierung des Irismusters gilt bisher als ausgesprochen fälschungssicher. Der Sensor leuchtet mit infraroten LEDs eines oder beide Augen aus, nimmt mit einer Kamera ein Bild der Iris auf und ermittelt daraus ihr charakteristisches Muster. Im Vergleich zu Fingerabdrucksensoren gelten Iris-Scanner als sehr zuverlässig, denn das Irismuster verändert sich nicht mit dem Alter der Person und unterliegt auch keinen äußeren Einflüssen wie Verletzungen. Die Rate für Falschabweisungen ist mit unter einem Prozent deutlich geringer als für Fingerabdrucksensoren. Mit etwa eins zu einer Million ist auch das Risiko von Falschakzeptanzen extrem klein. Kürzlich demonstrierten Hacker, dass sich die Scanner mit Irismustern aus Fotos überlisten lassen. Eine mögliche Lösung besteht in einer Auswertesoftware, die das natürliche Zucken der Iris überprüft. Derzeit befassen sich viele Hersteller von mobilen Geräten mit Iris-Scannern als neuer Variante für die Entsperrung.

Blutgefäße erkennen

Ein Retinascan erfasst das Muster der Blutgefäße auf der Augennetzhaut. Das Auge wird mit infrarotem Laserlicht durchleuchtet, während die Person durch das Okular des Scanners blickt. Blut absorbiert das Laserlicht stärker als das umliegende Gewebe, sodass die Blutgefäße in der Aufnahme dunkler erscheinen. Der kleinste heute bekannte Netzhautscanner hat in etwa Taschenformat.

Genau wie Retina-Scans nutzen auch Venenscanner Merkmale aus dem Körperinneren, die sich nicht aus simplen Fotos extrahieren lassen. Sie beleuchten die Handfläche mit infrarotem Licht und registrieren die reflektierten Strahlen mit einem Kamerasensor. Weil Blut infrarotes Licht stärker absorbiert als das umliegende Gewebe, erkennt man im Bild das für jeden Menschen typische Venenmuster. Zur Ausleuchtung bieten sich effiziente IRED mit 850 nm Wellenlänge an. Das Sicherheitsniveau von Venenscannern ist ähnlich hoch wie das der Iris-Scanner. Vereinzelt dienen sie bereits zur Identifizierung an Geldautomaten. 2014 präsentierte Fujitsu einen Laptop mit integriertem Venenscanner.

Bild 2: Der Iris-Scanner im Smartphone beleuchtet das Auge mit infrarotem Licht und ermittelt aus dem Kamerabild das charakteristische Irismuster. Ein Bandpassfilter über dem Kamerasensor blendet störendes Umgebungslicht aus.Osram Opto Semiconductors

Iris-Scanner für Smartphones und Tablets

Iris-Scanner zeichnen sich als die nächste biometrische Lösung für mobile Geräte ab. Sie versprechen eine hohe Zuverlässigkeit und die Scanner können sehr kompakt ausgelegt werden, da sie keine Mindestfläche für die Auflage eines Fingers oder der Hand benötigen. Neben der zuverlässigen Funktion sind die wichtigsten Anforderungen ein niedriger Energieverbrauch und kompaktes Design. Im Mobilgerät besteht ein Iris-Sensor aus einem Kamerachip und einer IRED zur Ausleuchtung der Augen (Bild 2). Die Bauteile können an getrennten Stellen unter der Geräteabdeckung platziert sein. Ein spezieller Bandpassfilter über dem Kamerasensor lässt nur die Wellenlänge des zur Ausleuchtung genutzten Lichts passieren und garantiert so auch bei starkem Umgebungslicht ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis. Der Arbeitsabstand beträgt etwa 20 bis 35 cm.

Bild 3: Iris-Scanner benötigen kontrastreiche Bilder. Für braune Augen ist infrarotes Licht ideal, bei blauen und grünen Augen liefern sichtbare Wellenlänge die besten Ergebnisse. Mit 810 nm gelingen für alle Augenfarben kontrastreiche Aufnahmen.Osram Opto Semiconductors

Sehr wichtig für die Güte des Scanners ist der Kontrast der aufgenommenen Bilder, denn nur dann lässt sich das Irismuster sicher identifizieren. Für braune Augen, also für die weltweit häufigste Augenfarbe, erreicht man nur mit infrarotem Licht kontrastreiche Aufnahmen. Bei blauen und grünen Augen erzielt sichtbares Licht die besten Ergebnisse, infrarote Wellenlängen liefern aber ebenfalls gute Resultate (Bild 3).

Das richtige Licht

Die typischen Wellenlängen für Iris-Scanner liegen zwischen 700 und 900 nm. Viele Experten setzen im Moment auf 810 nm als guten Kompromiss, um für alle Augenfarben Bilder mit hohem Kontrast zu realisieren. Ein weiterer Vorteil dieser Wellenlänge ist, dass sie die typische spiegelnde Reflexion von der Augenhornhaut minimiert, die sich störend auf die Iris-Aufnahmen auswirkt. Speziell für Iris-Scanner in mobilen Geräten hat Osram deshalb kürzlich sein infrarotes Wellenlängenspektrum erweitert und die 810 nm IRED SFH 4780S entwickelt (Bild 4).

Bild 4: Die Oslux SFH 4780S mit 810 nm Wellenlänge ermöglicht eine zuverlässige Iriserkennung in mobilen Geräten. Mit einer typischen Strahlstärke von 2900 mW/sr bei 1 A liefert die IRED das derzeit beste Verhältnis von Bauteilgröße zu Performance.Osram Opto Semiconductors

Neben der Wellenlänge ist vor allem die Lichtmenge, die auf die Augen fällt, maßgeblich für den Bildkontrast. Stationäre Geräte verwenden deshalb häufig mehrere LEDs. In mobilen Geräten ist dies nicht möglich, sodass die optische Leistung und vor allem die Abstrahlcharakteristik der IRED wichtige Parameter für die Güte des Sensors sind. Die SFH 4780S verfügt deshalb über einen hocheffizienten Dünnfilm-Chip, in dem mithilfe der Nanostacktechnologie zwei Emissionszentren realisiert sind.

Sichere Abstrahlung

Das Oslux-Gehäuse, das Osram bisher mit sichtbar leuchtenden LEDs für Blitzlichtanwendungen in mobilen Geräten einsetzt, ermöglicht trotz geringer Bauteilhöhe sehr enge Abstrahlwinkel dank eines internen Reflektors und einer speziell angepassten integrierten Linse. Das Resultat ist eine nur 2,4 mm hohe IRED mit 20° Abstrahlwinkel, die bei 1 A Strom typische Strahlstärkewerte von 2900 mW/sr (Milliwatt pro Raumwinkel) liefert. Damit bietet die SFH 4780S das derzeit beste Verhältnis von Bauteilgröße zu Performance und ermöglicht kompakte und zuverlässige Iris-Scanner für mobile Geräte.

Wie für alle Anwendungen, bei denen Augen infrarotem Licht ausgesetzt sind, gelten auch für Iris-Scanner die Richtlinien für Augensicherheit. Maßgeblich ist die Lichtleistung, die das Auge über einen bestimmten Zeitraum empfängt. Sie lässt sich über die Pulsdauer oder über den Betriebsstrom regeln. Konkrete Hinweise für die normengerechte Auslegung optischer Designs geben die Osram Applikationsschriften zu Augensicherheit und zu Iris-Scannern.

IRED für biometrische Sicherheit

Optische biometrische Sensoren profitieren von der hohen Verfügbarkeit kostengünstiger Kamerasensoren und von leistungsfähigen LEDs und IREDs. Wie das Beispiel der Iris-Scanner zeigt, ist eine gute Ausleuchtung der zu erfassenden Körperregion mit der passenden Wellenlänge essentiell für eine geringe Fehlerrate des Sensors. Für den Einsatz in Smartphones und Tablets bedeutet dies, mit kompakten Emittern genügend Helligkeit an die gewünschte Stelle zu übertragen. Gefragt sind deshalb nicht nur hohe optische Leistungen und neue Wellenlängen, sondern auch innovative Gehäuse, die die benötigte Abstrahlcharakteristik gewährleisten.

(lei)