Bisher war die hyperspektrale Fernerkundung nur mit großen, komplexen und teuren Systemen möglich, wie das Fraunhofer IST in Braunschweig mitteilt. Das ESA-geförderte Projekt Rainbow setzt an diesem Punkt an. Gemeinsam mit Airbus Defence & Space, der Vista Geowissenschaftliche Fernerkundung GmbH und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF hat das Fraunhofer IST eine neue Generation kompakter hyperspektraler Sensoren für kleine Satelliten geschaffen.
Vom Filter direkt auf den Chip
Im Zentrum der Entwicklung steht ein Bandpassfilter auf Basis der Filter-on-Chip-Technologie, der am Fraunhofer IST hergestellt wurde und über 30 spektrale Kanäle im Bereich von 400 bis 1700 nm abdeckt. Dafür wurden drei linear variable Bandpassfilter auf einem 10 × 10 mm² großen Glassubstrat vereint. Um die spektrale Variation zu realisieren und die Filterbereiche zu trennen, nutzte das IST Mikrostrukturierungsverfahren wie Photolithographie und Lift-off-Prozesse. Das Ergebnis ist ein kompaktes, robustes und wirtschaftliches Bauteil, das sich für den Einsatz auf kleinen Satelliten eignet und hyperspektrale Messungen ermöglicht.
Die am IST gefertigten Filter basieren auf hochpräzisen Sputterverfahren, wie sie auf der institutseigenen EOSS/Opta-X-Sputterplattform eingesetzt werden. Diese Technik ermöglicht sowohl linear variable Filter mit großer spektraler Bandbreite als auch pixelgenau strukturierte Filterstapel, die vor dem Detektor integriert werden können. Dadurch entfällt der Bedarf an komplexen optischen Aufbauten. Größe, Gewicht und Kosten der Instrumente sinken – ein Vorteil für Anwendungen im All, aber auch für mobile oder industrielle Systeme. „Mit Rainbow haben wir am Fraunhofer IST einen entscheidenden Schritt gemacht, um hochpräzise hyperspektrale Daten erstmals wirtschaftlich auf kleinen Satelliten verfügbar zu machen“, sagt Dr. Philipp Farr, Gruppenleiter Präzisionsoptische Schichten am Fraunhofer IST.
Hyperspektrale Daten als Grundlage für präzise Entscheidungen
Für die Landwirtschaft bedeutet dies einen Fortschritt. Die mit Rainbow erzielbaren hyperspektralen Daten erlauben eine detailliertere Analyse von Pflanzenzuständen, etwa im Hinblick auf Nährstoffversorgung, Stressfaktoren oder Wassergehalt. Damit werden präzise Ableitungen möglich. Auch in der Qualitäts- und Ertragsprognose eröffnen sich neue Perspektiven, etwa durch die satellitengestützte Einschätzung von Protein- oder Nährstoffgehalten. Darüber hinaus können die Daten genutzt werden, um den Kohlenstoffgehalt von Böden zu bestimmen und so Zertifizierungsprozesse im Bereich der Kohlenstoffbindung effizienter zu gestalten.
Mit der Fertigstellung des Filtermoduls hat das Fraunhofer IST seinen Beitrag zum Projekt Rainbow abgeschlossen. Die entwickelten und qualifizierten Filterbauteile bilden nun die Grundlage für die weitere Integration in das optische Gesamtsystem sowie für anschließende Validierungs- und Testkampagnen im Projekt.