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Innovative Filter-on-Chip-Technologie des Fraunhofer IST ermöglicht hochaufgelöste Daten für nachhaltige Landwirtschaft und Smart-Farming-Anwendungen.
Der Klimawandel, häufigere Wetterextreme und der wachsende Bedarf an hochwertigen Lebensmitteln stellen die Landwirtschaft weltweit vor große Herausforderungen. Um Erträge zu sichern und gleichzeitig Ressourcen wie Wasser, Dünger und Energie effizient einzusetzen, benötigen Landwirtinnen und Landwirte immer genauere Informationen über den Zustand von Pflanzen und Böden. Hyperspektrale Fernerkundung kann hier entscheidend unterstützen, war bislang jedoch nur mit großen, komplexen und kostenintensiven Systemen möglich.
Das ESA-geförderte Projekt RAINBOW setzt genau 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-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST eine neue Generation kompakter hyperspektraler Sensoren für kleine Satelliten entwickelt.
Im Zentrum der Entwicklung steht ein innovativer 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 Nanometern abdeckt. Dafür wurden drei linear variable Bandpassfilter auf einem nur zehn Millimeter kleinen Glassubstrat vereint. Um die außergewöhnlich hohe spektrale Variation zu realisieren und die einzelnen Filterbereiche präzise voneinander zu trennen, nutzte das Fraunhofer IST modernste Mikrostrukturierungsverfahren wie Photolithographie und Lift-off-Prozesse. Das Ergebnis ist ein äußerst kompaktes, robustes und wirtschaftliches Bauteil, das sich optimal für den Einsatz auf kleinen Satelliten eignet und hyperspektrale Messungen ermöglicht, die bisher ausschließlich größeren und deutlich teureren Systemen vorbehalten waren.
Vom Filter direkt auf den Chip
Die am Fraunhofer IST gefertigten Filter basieren auf hochpräzisen Sputterverfahren, wie sie auf der institutseigenen EOSS®/Opta-X-Sputterplattform eingesetzt werden. Diese Technologie ermöglicht sowohl linear variable Filter mit großer spektraler Bandbreite als auch pixelgenau strukturierte Filterstapel, die direkt vor dem Detektor integriert werden können. Dadurch entfällt der Bedarf an komplexen optischen Aufbauten; Größe, Gewicht und Kosten der Instrumente werden deutlich reduziert – ein entscheidender 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 deutlichen Fortschritt. Die mit RAINBOW erzielbaren hyperspektralen Daten erlauben eine deutlich detailliertere Analyse von Pflanzenzuständen, etwa im Hinblick auf Nährstoffversorgung, Stressfaktoren oder Wassergehalt. Damit werden präzise Ableitungen möglich, die für die Optimierung von Bewirtschaftungsstrategien und für nachhaltiges Ressourcenmanagement entscheidend sind. 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 deutlich effizienter zu gestalten.
Mit der erfolgreichen 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. Das Fraunhofer IST hat damit einen wesentlichen technologischen Meilenstein für kompakte hyperspektrale Fernerkundungssysteme gesetzt.
https://www.ist.fraunhofer.de/de/presse-publikationen/2025/hyperspektrale-erdbeo...
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars, Students, all interested persons
Environment / ecology, Materials sciences, Mechanical engineering, Physics / astronomy, Zoology / agricultural and forest sciences
transregional, national
Miscellaneous scientific news/publications, Research projects
German
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