Foto: Osram Opto Semiconductors

Biometrische Identifikation

Einen Augenblick

In Hochsicherheitsbereichen und Militäreinrichtungen wurden sie zuerst eingesetzt, aber auch bei Einreisekontrollen sind sie mittlerweile etabliert: biometrische Identifizierungsverfahren zur Zugangskontrolle. Kompakte und möglichst genaue optische Biometriesensoren sind die Grundlage für die Sicherheit dieser Identifizierungsverfahren. Sie profitieren von kostengünstigen Kamerasensoren und von leistungsfähigen LED und IRED (infrarote LED).

Fingerabdrücke, die Muster unserer Iris oder unsere Stimme sind einzigartige Merkmale zur Personen-identifizierung. In den vergangenen Jahren haben sie ihren Weg auch in die Welt der mobilen Geräte gefunden, die unseren Alltag begleiten. Denn immer mehr Menschen tätigen sensible Angelegenheiten – wie Bankgeschäfte, Einkäufe oder ihre berufliche Kommunikation – über Smartphones oder Tabletcomputer.

Viele Hersteller sehen in der Biometrie eine sichere und bequeme Alternative zu komplexen Passwörtern. Biometrische Sensoren erfassen bestimmte physische Merkmale und gleichen sie mit vorab gespeicherten Mustern der berechtigten Personen ab. Ein möglichst niedriges Risiko, dass nicht berechtigte Personen Zugang erhalten (Falschakzeptanz), sowie eine geringe Abweisungsrate zugelassener Personen (Falschabweisung) sind das Qualitätsmaß bei dieser Methode.

Für diese geringen Fehlerraten ist eine gute Ausleuchtung der zu erfassenden Körperregion mit der passenden Wellenlänge essentiell. Aus diesem Grund müssen insbesondere für kleinformatige mobile Geräte entsprechend kompakte Emitter eingesetzt werden, die trotzdem genügend Helligkeit an die gewünschte Stelle übertragen. Dies verlangt nach hohen optischen Leistungen, neuen Wellenlängen und innovativen Gehäusen, die die benötigte Abstrahlcharakteristik gewährleisten. Zudem gelten besonders bei Anwendungen, bei denen die Augen infrarotem Licht ausgesetzt sind, strenge Richtlinien für die Augensicherheit.

Finger, Gesicht und Iris

Optische Fingerabdrucksensoren, bei denen der Finger auf eine Glasabdeckung gelegt werden muss, kennen die meisten von Einreisekontrollpunkten. Unter der Abdeckung befindet sich eine LED- oder auch infrarote LED (IRED)-Lichtquelle sowie ein Kamerasensor. Der Winkel des Lichts ist so zum Glas ausgerichtet, dass nur die an den Papillarlinien des aufgelegten Fingers reflektierten Strahlen auf den Sensor fallen. Aufgrund ihrer geringen Sichtbarkeit bieten sich IRED mit einer Wellenlänge von 850 Nanometern (nm) insbesondere für unauffällige Sensoren an. Ein Nachteil beim Einsatz von Fingerabdruck-Sensoren bei Smartphones und Tablets ist, dass die Nutzer auf den Touchscreens ihre Fingerabdrücke hinterlassen, die so beispielsweise von Hackern abgenommen und „simuliert“ werden können.

Die Identifizierung durch Gesichtserkennung wird ebenfalls bei mobilen Geräten eingesetzt. Dabei wird der Nutzer mit der integrierten Kamera fotografiert, woraufhin eine Software Mimik-unabhängige Gesichtsmerkmale mit den vorgegebenen Daten vergleicht. Bei unzureichender Beleuchtung wird der Sensor ohne zusätzliche Beleuchtung allerdings unzuverlässig und einige Systeme konnten bereits mit Fotos überlistet werden. Kombiniert wird diese Zugangskontrolle daher auch häufig mit einem Spracherkennungssystem.

Im Vergleich gelten Irisscanner als sehr zuverlässig. Hier erfolgt die Identifizierung über das Irismuster, das weder vom Alterungsprozess noch durch äußere Einflüsse wie Verletzungen verändert wird. Die Methode, eines oder beide Augen mit infrarotem Licht auszuleuchten, mit einer Kamera ein Bild der Iris aufzunehmen und dann deren charakteristische Muster zu ermitteln, hat sich bisher als ausgesprochen fälschungssicher erwiesen. Die Falschabweisungsrate liegt mit weniger als einem Prozent weit unter der der Fingerabdruckscanner, und auch das Risiko der Falschakzeptanz ist mit einer Rate von eins zu einer Million extrem gering. Doch auch bei der Irisidentifizierung gelang es Hackern bereits, den Scanner mittels eines Fotos zu täuschen. Daher wurden Lösungsideen, wie eine Auswertungssoftware zur Überprüfung der natürlichen Irisbewegungen, entwickelt. Mittlerweile testen Hersteller den Irisscan als neue Variante für mobile Geräte.

Retina- und Venen-Scanner

Anstelle der Iris kann auch die Retina zur Identifizierung des berechtigten Benutzers dienen. Bei einem Retinascan muss die Person durch ein Okular des Scanners schauen, wobei das Auge mit infrarotem Licht durchleuchtet wird. Auf der Aufnahme erscheinen dann die Blutgefäße, aufgrund der stärkeren Absorptionsfähigkeit des Blutes, dunkler.

Mit derselben Methode arbeiten auch Venenscanner, die ebenfalls Merkmale aus dem Körperinneren nutzen, die nicht aus einem Foto extrahiert werden können. So werden unter anderem typische Venenmuster in einer Hand gescannt. Auch hier kommt infrarotes Licht zum Einsatz, dessen reflektierte Strahlen mit einem Kamerasensor registriert werden. Dafür bieten sich insbesondere IRED mit einer Wellenlänge von 850 Nanometern an. Iris- und Venenscanner besitzen ein ähnliches Sicherheitsniveau und werden vereinzelt bereits an Geldautomaten eingesetzt. Auch bei den mobilen Geräten, beispielsweise bei Laptops, wurde bereits mit der Technologie experimentiert.

Voraussetzungen für den mobilen Einsatz

Der Einsatz von Irisscannern bei Smartphones und Tablets zeichnet sich als Trend für die nächste biometrische Lösung ab. Ihre Zuverlässigkeit und kompakte Form, die keine Mindestfläche für die Finger oder der Hand benötigt, erscheint für die Hersteller vielversprechend. Ein weiterer Vorteil ist der niedrige Energieverbrauch des Sensors, der aus einem Kamerachip und einer IRED besteht. Dabei müssen die Bauteile nicht einmal an einer Stelle zusammen platziert werden, sondern können getrennt unter der Geräteabdeckung integriert werden. Selbst bei starkem Umgebungslicht wird mithilfe eines speziellen Bandpassfilters über den Kamerasensor ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht. Der Filter lässt nur die Wellenlänge des zur Ausleuchtung genutzten Lichts passieren. Dabei beträgt der Arbeitsabstand circa 20 bis 35 Zentimeter.

Um das Irismuster sicher identifizieren zu können, muss der Kontrast der aufgenommenen Bilder stimmen. Dieser hängt stark von Augenfarbe und verwendetem Licht ab. So werden bei braunen Augen nur mit infrarotem Licht verwertbare Ergebnisse erzielt, während sich bei grünen oder blauen Augen sichtbares Licht am besten eignet. Doch auch hier genügt schon infrarotes Licht für eine eindeutige Feststellung. Im Allgemeinen liegt die Wellenlänge für Iris-Scanner zwischen 700 bis 900 Nanometer, wobei sich viele Experten auf 810 Nanometer als einem guten Kompromiss für hohe Kontraste geeinigt haben. Spiegelnde Reflexionen durch die Augenhornhaut, die die Irisaufnahme stören könnten, werden minimiert. Speziell für Irisscanner in mobilen Geräten erweiterte Osram daher kürzlich sein infrarotes Wellenlängenspektrum und entwickelte die 810 nm IRED SFH 4780S.

Für den Bildkontrast ist die Lichtmenge ebenfalls ausschlaggebend, weshalb stationäre Geräte häufig mehrere LEDs verwenden. In mobilen Geräten ist die Güte des Sensors von der Empfindlichkeit der Kamera und der optischen Leistung und Abstrahlcharakteristik der IRED abhängig. In Hochleistungs-Dioden, wie der SFH4780S, wurden deshalb mithilfe der Nanostack-Technologie zwei Emissionszentren in einem effizienten Dünnfilm-Chip realisiert. Das Oslux-Gehäuse von Osram ermöglicht mithilfe eines internen Reflektors und einer speziell angepassten integrierten Linse trotz geringer Bauteilhöhe sehr enge Abstrahlwinkel.

So gelang mit der SFH 4780S die Entwicklung einer nur 2,4 Millimeter hohen IRED mit 20 Grad Abstrahlwinkel, die bei nur einem Ampere Strom typische Strahlstärkewerte von 2.900 Milliwatt pro Raumwinkel (mW/sr) liefert und damit erstmals kompakte und zuverlässige Iris-Scanner für mobile Geräte ermöglicht.

Dr. Hubert Halbritter & Bianka Schnabel
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Foto: Osram Opto Semiconductors

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