测量应用于面部识别及3D传感中的近红外光源(NIR)

日期:  
2019年 2月 13日
作者: 
Anne Corning  | 

近红外光(电磁波波长范围大约在700纳米(nm)至1500纳米之间)对人眼来说是不可见的,这使其成为了越来越多3D传感应用的理想光源,比如面部识别、虹膜扫描、手势识别、 地形测绘、车载LiDAR和夜视安防摄像机。

3D成像与传感市场规模预计到2023年合计将达到185亿美元,在消费类电子产品、科学、国防/太空、执法/安防、汽车、医疗和商业/工业领域具有广泛的应用。1

NIR面部识别

3D NIR传感技术最受关注的用途之一是面部识别。在过去的18个月中,市场上发布了多款将此功能作为一种生物识别安全系统形式的智能手机,用户只需将面部对着手机便可将手机解锁。基于图像的2D面部识别系统已经出现一段时间,其利用算法来分析摄影图像以匹配面部特征。NIR传感系统的一个优点在于它们不受不同环境照明条件的影响,并且可以从不同角度有效执行识别,比如侧面视角。

这些系统能够通过将NIR光源以网格或点阵图案形式投射到物体(比如人脸)上来感测3D物体。通常,衍射光学元件(DOE)用于使NIR光束折射成点阵图案。该点阵图案将从物体反射回设备并被NIR相机捕获。然后利用算法分析映像数据以了解来自原始网格图案的任何变形,创建3D面部特征“图”,其可以与所存储的数据进行匹配以确认用户的身份。

智能手机面部识别图解,其中NIR结构光图案投射到人脸,将人脸特征轮廓反射回来以创建3D图像

NIR传感系统质量考虑因素

用于3D传感应用的NIR发射通常由LED(发光二极管)和激光器产生。随着传感系统的迅速普及,制造商越来越需要有效的方法来测量NIR发射器的质量、性能和安全性。NIR系统可能会出现各种性能问题,比如范围不准确、辐射强度不一致、输出低、发射点排列不佳等。

安全也是一个关键考虑因素。虽然NIR波长对于人类来说是不可见的,但它们仍然可以进入眼睛,而且长时间暴露可能会导致视网膜或角膜受损。NIR设备(尤其是那些用于面部识别和人眼检测的设备)必须经过精心设计和测试,以确保它们以安全的辐射强度水平发射。

为了测量用于面部识别的NIR发射,测量系统需要处理810-960纳米的波长范围,这是这类应用中通常使用的NIR光源。理想情况下,测量系统采集各种不同的特征,比如发射均匀性、最大功率或辐射强度、辐射通量、发射分布或空间位置,并测量整个分布区域内的这些参数。

NIR LED在角度空间内的总辐射通量分析示例,使用Radiant的NIR近红外光辐射强度测量镜头和TrueTest™辐射光测量软件显示在伪彩色标尺中。辐射通量是每单位时间发射的辐射能量度量单位,例如瓦特(焦耳/秒)。

NIR发射器测试挑战

除了安全考虑因素外,面部识别系统还对NIR性能评估提出了另一项挑战。在角度空间内捕获NIR近红外光对于传统测量设备来说极其困难,特别是在识别如今智能设备DOE产生的多达30,000个发射点的情况下。使用基于图像的NIR测量系统(例如,Radiant的ProMetric®Y16成像辐射度计等基于CCD的辐射测量相机)进行NIR光源测量可以采集和测量DOE在较大空间区域内产生的所有发射点,从而减少了这种复杂性。

为了分析覆盖面部的整个发射区域,测试设备必须在近距离下快速采集并评估较大的角度分布。这需要通过广角范围来实现,因为NIR发射装置通常定位于近距离处(比如握在用户手中的智能手机)。

跟任何其他光源一样,NIR光源也在3D角度空间内发光。因此,DOE发射图案中每个点的强度或位置可能会因发射角度而有所不同。必须在每个发射角度下测量NIR DOE发射图案,以确保DOE发射图案准确投射,并且每个点具有足够的强度,以确保设备的NIR传感器能够接收并正确解读。

角度测量解决方案

为了评估NIR发射在整个角度空间内的强度,设备制造商可以采用测角测量系统。测角仪在光电探测器或相机前面旋转NIR光源,以采集每个角度的2D发射图像。此过程很耗时,需要进行数千次旋转才能采集完整的角度测量值。

此外,在两次测角旋转之间还可能会出现测量间隙,导致遗漏某些点上NIR强度的不均匀性数据。由于NIR发射对于人类视觉可能具有危险性,因此在测角测量期间遗漏任何角度数据点可能意味着遗漏不均匀的高强度发射,这可能会对用户造成危害,特别是在随着时间推移的情况下。

可替代测角仪的方案是采用配备傅里叶光学系统的相机,其可以从单个点采集所有角度发射数据,从而消除了旋转设备的需要。利用傅里叶光学原理设计的镜头将使所连接的成像仪能够对光源的整个角度分布进行表征,在测量过程中不留下任何间隙。先进的NIR近红外光测量系统(比如Radiant的NIR近红外光辐射强度测量镜头解决方案)可以对3D空间中整个NIR光源分布(±70°)的辐射强度(强度值,以瓦特/立体弧度(W/sr)为单位测量)进行表征,识别不均匀性、峰值发射、热斑以及其他问题。

图解:傅里叶光学系统通过专用镜头将光线的角度发射引导至成像系统CCD上的各点,形成3D分布的2D极坐标图。

 

雷达标图和分段截线图显示红外光LED的辐射强度(作为角度函数)。傅里叶光学镜头基于其连接的成像系统进行标定,使其能够准确地同时映射NIR设备±70°范围内的角度发射。

DOE测量挑战

当评估面部识别应用的NIR DOE发射时,必须评估每个点的性能和安全性。直到最近,用于测量DOE发射的方法一直局限于通过将点阵图案映射到理想的图案或坐标(通常将NIR光源图案投射到屏幕或墙壁)来检查点阵图案的准确性。然而,此方法依赖于静态图案匹配,并且无法动态适应新的DOE图案。此外,该方法也不能报告DOE发射点的精确辐射测量数据,仅提供尺寸评估和简单的通过/未通过分析。

 

使用Radiant TrueTest™软件中的自动化点阵检测功能分析DOE点阵图案样本之前(左)和之后(右)。该软件可测量最大峰值(辐射强度最高的发射器)、最大峰值位置(倾角/方位角)、最大峰值平均值、最大峰值立体角、作为最大峰值点的像素数、点功率均匀性(不同点之间)、总通量和DOE通量以及用于全面分析的逐个点测量值。

NIR测量——现场观看产品演示

如果您计划出席2月3日至7日在美国旧金山举行的SPIE Photonics West(SPIE美国西部光电展)会议,您将有机会了解到更多有关NIR技术及应用领域最新进展方面的信息。欢迎在美国西部光电展(Photonics West Exposition)举办期间前来Radiant展台参观(展位号:3113),我们将展示Radiant的NIR近红外光辐射强度测量镜头解决方案,以及AR/VR镜头解决方案,这是一款专为头戴式增强现实和虚拟现实设备中的近眼显示器测试设计的镜头选项。

Visit Radiant at Photonics West Booth #3113

CITATIONS
1.    3D Imaging & Sensing 2018, report by Yole Développement, March 2018. LINK
 

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