VCSEL-Technik sorgt für Sicherheit bei mobilen Endgeräten

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OSRAM Opto Semiconductors GmbH

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Keysight Technologies Deutschland GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Kleiner werdende Infrarot-LEDs finden auch Platz in mobilen Endgeräten. Interessant sind sie für biometrische Anwendungen als VCSEL-Dioden, die ihr Licht senkrecht zur Oberfläche abstrahlen. Sie stoßen auf Interesse im Markt.

Sichtbares Licht dient bei mobilen Endgeräten wie Smartphone, Tablet oder Wearable zur Beleuchtung des Displays oder für das Blitzlicht. Für die Gestenerkennung, Iris-Scan oder Gesichtserkennung nutzen Hersteller das vom Menschen nicht sichtbare Infrarot-Licht. Hintergrund: Biometrische Methoden sind zuverlässig und sicher, wenn sich Benutzer identifizieren müssen. Gerade als eine Alternative zu komplexem Passwortmanagement garantieren biometrische Methoden für die Sicherheit mobiler Geräte, die Zugangskontrolle und zunehmend auch die Authentifizierung von mobilen Zahlungen und andere Transaktionen.

Der Bedarf an diesen Lösungen wird dadurch verstärkt, dass die Nutzer zunehmend alle Aspekte ihres digitalen Lebens über Smartphones und mobile Geräte verwalten. Voraussetzung für die biometrische Analytik ist die menschliche Charakteristika: Dazu gehören spezifische Strukturen der Iris, Gesichtszüge oder Fingerabdrücke. Sensoren identifizieren die Merkmale und vergleichen sie mit zuvor gespeicherten biometrischen Daten. Für die zuverlässige Funktion in mobilen Geräten ist Infrarotlicht erforderlich, um den Zielbereich gleichmäßig auszuleuchten. Dank der immer kleiner werdenden Infrarot-LEDs nimmt auch ihr Einsatz in mobilen Endgeräten zu.

VCSEL-Technik und ihr Einsatz

Osram Opto Semiconductor setzt beispielsweise auf die VCSEL-Technik (Vertical Cavitiy Surface Emitting Laser). Sie ist keine neue Erfindung, und wurde in der Vergangenheit hauptsächlich zur Datenkommunikation eingesetzt. Aktuell ergeben sich eine Vielzahl an neuen Anwendungsmöglichkeiten in unterschiedlichen Märkten. Ein VCSEL strahlt das Licht senkrecht zur Oberfläche des Halbleiterchips (Oberflächenemitter) ab, im Gegensatz zu kantenemittierenden Laserdioden, bei denen das Licht an der Flanke des Bauteils austritt. Entscheidende Merkmale der Oberflächenemitter sind die im Vergleich zu Kantenemittern geringeren Produktionskosten und die bessere Strahlqualität bei geringerer Ausgangsleistung.

Als oberflächenmontierbares Bauteil kombiniert der VCSEL sozusagen die Eigenschaften einer LED mit denen eines Lasers. Die Technik kann auch als VCSEL-Array verwendet werden. Hierbei handelt es sich um einen Verbund von mehreren hundert oder sogar tausend VCSELs. Eine Platine kann beispielsweise mit 500 einzelnen Aperturen die auf 1 mm x 1 mm Chipfläche Platz finden. Vergleichbar mit der Montage einer normalen LED kann der VCSEL einfach ins Gehäuse geklebt werden.

Großer Markt für 3D-Sensorik erwartet

Die VCSEL-Technik eignet sich in Smartphones, Drohnen und AR/VR-Geräten, bei denen eine Hochgeschwindigkeitsmodulation von Vorteil ist. 3D-Sensoranwendungen wie die Gesichtserkennung, insbesondere für Endverbrauchergeräte, werden als wichtige Markttreiber angesehen. Nach Schätzungen von LEDinside lag der globale Markt für Infrarot-Laserprojektoren für mobile 3D-Sensorik im Jahr 2017 bei 246 Mio. US-Dollar und wird bis 2020 auf rund 1,953 Mrd. US-Dollar wachsen. Bei Mobilgeräten wird die 3D-Sensorik für Structured-Light- und Time-of-Flight- (ToF-) Messungen angewandt. Ein aktuelles Smartphone-Modell verwendet strukturiertes Licht und sein Punktprojektor erzeugt mehrere zehntausend Infrarot- (IR-)Lichtpunkte auf dem Gesicht. Anschließend empfängt eine Infrarotkamera das vom Gesicht reflektierte Licht, um eine dreidimensionales Abbild des Gesichts zu erzeugen.

Weitere Anwendungsgebiete sind Autofokus- und Näherungsfunktionen in Kameras, insbesondere in Smartphone-Kameras. 3D-Sensorik wird aber auch bei Augmented (AR) und Virtual Reality (VR) Lösungen integriert, beispielsweise in Smart Glasses, zukünftigen Smartphones und anderen mobile Geräten, einschließlich Drohnen. Aufgrund des geringen Platzes, den niedrigen Kosten, optischer Wirkungsgrad, geringer Stromverbrauch, Wellenlängenstabilität und hohe Modulationsraten, könnte die VCSEL-Technik der Schlüssel zu einem breiteren Einsatz von Anwendungen wie der 3D-Sensorik im Massenmarkt sein.

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