对近红外光源进行检测以实现安全、准确的3D传感（一）

          3D NIR感应系统的高速发展应用要求有效的方法来测量近红外发射元件的质量，性能和安全性。

          ANNE CORNING, RADIANT VISION SYSTEMS

   近些年来，使用近红外光（NIR）波段的3D传感技术开始普及，并用于诸如面部和手势识别，眼部追踪以及激光雷达等汽车视觉系统等应用。光学传感系统市场预计将以22.7％至24％的复合年增长率增长，到2027年总产值将达到38亿美元。

 近红外波长范围从700到1500nm，NIR光源有许多应用。例如，使用780nm的NIR被认为可以安全地进行眼部追踪；850nm的NIR常用于监控摄像头的夜视；同时，一般电视机通过930-950nm的NIR LEDs发射近红外光进行遥控；而700-950nm的波长被用于各种近红外光谱应用中，用来进行医学上的诊断。

用于面部识别的NIR系统。智能手机的衍射光学元件（DOE）发出的点网格状图案投射在人脸上（使用者不可见），手机内部的红外摄像头捕获近红外光的反射并分析网格图案的变形，以测量面部的3D轮廓来进行识别。

1040至1060 nm范围内的脉冲激光已被大规模应用于激光雷达系统的陆地测绘。同时，汽车行业的开发人员已经在驾驶员辅助系统和自动驾驶汽车中测试激光雷达传感器的短范围（905 nm）和长范围（1550 nm）的NIR波长。

红外和近红外波通常由发光二极管和激光器产生。NIR LED常用于遥控器，监控摄像头，面部识别设备和医疗行业。近红外激光通常由垂直腔面发射激光器（VCSEL）产生，用于光纤通信，汽车激光雷达以及手势和面部识别等应用。

虽然一般NIR LED的价格较便宜，但近红外激光具有其快速应用的优势，甚至可以在某些应用方面替代NIR LED。近红外激光在近距离传感和自动对焦方面更出色；例如，可以针在面部和手势识别中进行更高精度的定位和反射。由于它们的空间相关性和高度聚焦的特性，激光束可以穿过小孔，使其易于通过衍射元件进行集成和操控。近红外激光使用结构光（以特定光波模式投射光）和飞行时间（TOF）方法为面部识别等应用提供具有卓越的深度测量和测绘功能的3D成像解决方案。

近红外（NIR）和衍射光学元件（DOE）

在结构光近红外传感中，来自NIR激光器的单束光束通过光学结构（衍射光学元件（DOE））投射，以将激光器分成多个发射点，并在网格或其他物体中投射微小的不可见点阵列 将图案固定到3D对象（例如人的脸部）上当每个点的光从物体反射回来时，红外摄像机会测量图案的变形方式，并解释反射光（通过处理软件）以确定物体的轮廓。

近红外传感器不受可见光的影响，可以准确地接收投射在脸上的近红外光反射，以解析每个人特有的脸部3D特征和轮廓这副NIR面部“地图”可与存储的图像数据进行匹配以进行识别。NIR面部传感可确保你（并且只有你）可以访问你的个人信息，银行账户，私家车或其他受保护的媒体资料。由于NIR系统是三维深度感知，因此无法用2D照片对其进行破解，从而提供更好的生物特征识别安全性。在预防犯罪领域，NIR面部感应还可以识别人群中的人，从而使执法部门能够发现目标。

飞行时间（TOF）

TOF方法可以测量传感器和物体之间的距离，通过信号发射后 （例如近红外激光脉冲）与传感器接收到反射或散射信号之间的时间差来测量。将接受散射光的时间与原始脉冲照明的时间进行关联，可以通过估算传感器到物体的距离（d），其中t是光的飞行时间，c是光速。

光和声信号都可以用于各种应用中的TOF测量。使用红外光在TOF测量中尤为有效，因为它可以与周围环境光分开，从而在弱光或夜间条件下，可以减少信号干扰并提高准确性在面部识别应用中，TOF可提供高准确度的深度和空间测量（图1）。

图1：近红外激光3D感应方法。TOF和DOE /结构光的比较。DOE：衍射光学元件。

由Radiant Vision Systems提供。

质量考量

随着越来越多对3D近红外传感系统的采用，对测量近红外光发射器的质量，性能和安全性的有效方法的需求日益增长。首先，测量NIR光源需要一种能够表征NIR应用所使用的典型波长范围的系统对于面部识别，测量系统需要能够测量这些应用中使用的近红外光源的范围——810至960 nm。尽管3D NIR技术比以前的2D（拍照）方法提供了更准确的面部识别，但是NIR系统仍然会遇到性能上的问题。如果NIR光源的发射范围或强度不正确怎么办？当传感设备位置安放不佳或输出功率低时该怎么办？所有光辐射均符合安全标准吗？

为了实现设备较高的质量和性能，制造商必须对其近红外光源进行仔细的测量和测试。理想情况下，测量系统可以测量各种不同的特性，例如发射的均匀性，最大功率或强度，辐射通量以及发射分布或空间位置，并应该在整个光分布区域内测量这些参数（图2）。

图2：使用辐射光测量软件以伪色标度显示的在角域上对NIR LED进行总通量分析的示例。辐射通量是单位时间内发射的辐射能的量度;例如，瓦特（J / s）。

由Radiant Vision Systems提供。

安全注意事项

虽然NIR波段对人类是不可见的，但它们仍可以进入眼睛，并且长时间暴露于近红外光会对视网膜或角膜造成损害。早期的汽车激光雷达系统是使用905 nm激光器开发的，但是设计者们最近开始朝1550 nm的方向发展，因为当人们靠近汽车时会有其发射较低波长脉冲的危险。同样，面部识别和眼睛检测系统也必须仔细设计和测试，以确保它们是以安全的功率发射。

如今，欧盟，加拿大和亚洲部分地区要求对所有照明灯进行测试并按照IEC 62471规范进行记录，以保护工人免受紫外线，可见光和红外 /热电磁辐射的伤害。这样的规范定义了在指定光源，波长和强度的情况下允许曝光量的最大阈值。

IEC 60825-1标准专门适用于激光器，包括NIR激光器。此外在美国，美国政府工业卫生学家会议（ACGIH）为物理因素（包括激光，光和近红外辐射）设立了临界限定值（TLVs）。许多测试报告中均使用这些临界限定值在作安全参考。

检测挑战

除了安全性问题外，检测面部识别系统还对NIR性能评估提出了另一个挑战。对于传统的测量设备而言，要在角域捕获NIR光，尤其是在识别如今智能设备的DOE产生的近30000个发射点时尤其困难。使用成像NIR测量系统（例如基于CCD的辐射照相机）进行NIR源测量可以通过捕获和检测DOE在较大空间区域内产生的所有发射点来减小这种复杂性。

为了分析将覆盖面部的整个发射区域，测试设备必须快速捕获并评估近距离的大角度光分布，固需要广角视域。因为通常将近红外发射设备——例如手持智能手机置于很短的工作距离内。

像任何其他光源一样，NIR光辐射在3D角域中。因此，DOE图案中的点可基于发射角改变强度与位置。测量NIR DOE图案必须在每个发射角进行以确保DOE图案准确投影，同时每个点具有足够的强度以被设备的NIR传感器接收并正确解析。

角度测量解决方案

为了评估整个角域的NIR发射强度，设备制造商可以采用测角法测量系统。测角仪在光电探测器或照相机前面旋转近红外光源，以捕获每个角度的发射二维图像。此过程非常耗时，需要数千次旋转才能捕获完整的角度测量值。此外，在测角旋转之间可能会出现测量间断点，在某些点忽视NIR强度的不规则性。由于NIR发射对人眼视觉可能会造成危险，因此在进行角度测量时丢失某一角度数据点可能意味着会丢失不规则的光发射强度，这可能会对用户造成危害，尤其是随着使用时间的推移。

图3：傅立叶光学系统的示意图，该光学系统将通过特定透镜发出的光以一定角度出射到成像系统CCD上的点上，形成三维分布的二维极坐标图。

由Radiant Vision Systems提供。

结合了傅里叶光学元件的摄像头可以替代测角仪。通过从单个点捕获角度发射数据，它无需旋转设备。使用傅立叶光学原理设计的镜头使与其相连的成像仪能够测量光源的整个角域分布，而在测量中没有任何间断点。诸如此类的高级NIR测量系统可以表征整个NIR光源的辐射强度，可以识别不规则，峰值发射，热点和其他问题（图3和图4）。

图4：雷达图和横截面图，显示了红外LED

由Radiant Vision Systems的NIR镜头捕获，并显示在TrueTest软件平台中，用于光源测量。傅立叶光学透镜已针对与其连接的成像系统进行了校准，从而可以将NIR设备的一次角度发射准确地映射到±70°。

由Radiant Vision Systems提供。

DOE测量挑战