摘 要

人脸识别从发展至今一直是人们广泛关注的现代技术。近几年兴起的一种人脸识别技术是采用了3D感测。3D感测技术是面部识别的核心，而红外点阵发射器又是3D感测的核心技术之一，显然作为3D传感理想光源的垂直腔面发射器成为了人脸识别研究领域的重点。VCSEL也因具有独特的光电性能，在人脸识别的应用中展现出了高度优势，备受各大厂商的青睐。但VCSEL的主要供应商在国外且与苹果签有产权协议，所以国内对VCSEL的需求很难得到满足。本文通过阅读大量文献，比较了运用VCSEL的人脸识别方案与传统的人脸识别方案的不同，得到了VCSEL在人脸识别的应用有更大发展前景的结论。并对VCSEL的基本结构及一些关键技术作了说明，通过对3D结构光和ToF的工作原理以及在人脸识别应用的效果进行分析，进一步说明了实现人脸识别的整个流程，方便更多国内人士了解VCSEL器件在面部识别的应用，促进VCSEL的发展。

关键词：垂直腔面发射激光器；3D感测；飞行时间测距；3D结构光；人脸识别

Abstract

Face recognition has been a modern technology that people pay close attention to since its development. In recent years, a kind of face recognition technology is using 3D sensing. 3D sensing technology is the core of face recognition, and infrared dot matrix transmitter is one of the core technologies of 3D sensing. Obviously, as the ideal light source of 3D sensing, vertical cavity surface transmitter has become the focus of face recognition research. Because of its unique photoelectric performance, VCSEL has shown a high advantage in the application of face recognition and is favored by many manufacturers. However, the main suppliers of VCSEL are abroad and have property rights agreements with apple, so the domestic demand for VCSEL is difficult to meet. Through reading a lot of literature, this paper compares the difference between the face recognition scheme using VCSEL and the traditional face recognition scheme, and obtains the conclusion that VCSEL has a greater development prospect in the face recognition application. The basic structure and some key technologies of VCSEL are explained. By analyzing the working principle of 3D structured light and TOF and the effect of their application in face recognition, the whole process of realizing face recognition is further explained. It is convenient for more domestic people to understand the application of VCSEL devices in face recognition and promote the development of VCSEL.

Key Words: Vertical cavity surface emitting laser; 3D sensing; TOF;3D structured light; face recognition

目 录

第1章 绪论 1

第2章 VCSEL概述 2

2.1 VCSEL的定义 2

2.2 VCSEL基本结构 2

2.1.1 DBR结构 3

2.1.2 VCSEL阵列 5

2.2 VCSEL的基本原理 5

2.2.1 VCSEL发光原理 5

2.2.2 VCSEL的驱动电路 6

2.3 VCSEL的发展 8

第3章 基于VCSEL的三维传感技术 9

3.1 3D结构光 9

3.2 飞行时间测距 10

3.3方案比较与选择 11

第4章 3D人脸识别的优势 12

4.1 传统的人脸识别 12

4.2 3D感测人脸识别 12

第5章 人脸识别系统 14

5.1 人脸识别原理 14

5.2 识别过程与结果 14

第6章 结论 17

参考文献 18

致谢 19

第1章 绪论

现代社会，生物识别技术已与人们的生活息息相关，比如指纹识别技术在手机解锁的应用，人脸识别技术在许多身份认证的场合广泛应用。事实上，生物识别技术不仅是基于指纹和面部特征，还可以是基于虹膜、手形等特征，比如虹膜识别和手形识别等。可以说这些生物识别技术的兴起，很大程度上改变了人类生活模式。

指纹识别是第一种主要出于历史原因用于消费者的生物识别技术，这些年来，它也一直是消费者领域最常用的生物识别技术。但随着人工智能技术的发展，3D面部识别和其他基于照片的安全应用的出现，人脸识别技术展现出了更强的竞争力，而VCSEL正是扰乱生物测定市场的关键组件。

VCSEL很早就投入电子市场应用，但使用规模并不大。直到2017年，苹果推出的iPhoneX集成了三种不同的VCSEL芯片，用于接近传感器和面部识别模块，其带来的“无感解锁体验”得到了消费者的认可，因此引发了VCSEL市场的爆炸性增长。VCSEL所具有的独特优势是经过许多杰出研究人员的努力集合而成。从20世纪60年代开始，出现了第一个垂直于半导体晶圆表面发射的半导体激光器，到20世纪80年代后，VCSEL在外延生长和器件处理方案取得了开创性发展，直至现在，VCSEL成为了3D传感的理想光源，而且它的应用范围并不局限于传感，在数据通信和光子集成电路也展现出独特的竞争力，可以说VCSEL的发展前景将十分可观。

2018年5月，小米宣布推出Mi 8Explore Edition新机，被誉为“全球首款支持3D人脸识别的Android智能手机”。同年6月，Oppo和Vivo都相继推出了基于VCSEL器件的面部识别技术的智能手机。虽都为3D传感，但Vivo并未延续苹果公司的3D结构光技术，而是另辟蹊径，采用了3D飞行时间测距，这对VCSEL应用的发展起到了推动作用。