Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme
Erdbeobachtungsdaten werden immer wichtiger für unser Verständnis des Planeten und für die Bewältigung sozio-ökologischer Herausforderungen – beispielsweise im Bereich der Umweltüberwachung. Derzeit sind die Methoden für die Datenerfassung und -verarbeitung aus dem Weltall durch lange Aufnahmezeiten (bis zu mehrere Tage pro Messung), eine geringe räumliche Auflösung (ca. 1 km) sowie den nutzbaren Spektralbereich (vor allem im Sichtbaren) begrenzt. Neuartige Kamerasysteme auf Basis von Flächenlichtmodulatoren können hier Abhilfe schaffen, welche innerhalb des EU-Projekts SURPRISE erstmalig realisiert und getestet wurden. Das Fraunhofer IPMS trug im Projekt mit seiner langjährigen Expertise auf dem Gebiet der Flächenlichtmodulatoren bei und plante die Entwicklung des ersten weltraumtauglichen Flächenlichtmodulators, der komplett in Europa hergestellt wurde.
Das Hauptziel des Projekts war die Entwicklung eines Demonstrators. Kernparameter: Der spektral breitbandige Arbeitsbereich – im sichtbaren (VIS), im nahen Infrarot (NIR) und im mittleren Infrarot (MIR) – verbesserte Leistung in Bezug auf die Auflösung am Boden sowie eine innovative Datenverarbeitungs- und Verschlüsselungsfunktionalität an Bord.
Dafür wurde die innovative Compressive Sensing (CS)-Technologie genutzt. Sie erlaubt es, ein flächiges Bild mithilfe eines Einpixeldetektors aufzunehmen. Das ist für das mittlere Infrarot besonders interessant, weil in diesem Spektralbereich keine passenden 2D-Detektoren zur Verfügung stehen. Gleichzeitig bietet CS Vorteile bei der Verarbeitung großer Datenmengen sowie eine native Datenverschlüsselung.
Die im Projekt genutzte spezielle CS-Bildaufnahmetechnik für die Erdbeobachtung erforderte besondere Komponenten. Flächenlichtmodulatoren stellen die geeignetste Lösung für diese Aufgabe dar, da variable Bildmuster mit hoher Geschwindigkeit erzeugt werden können. Diese Muster werden mit der Beobachtungsszene überlagert und von Einzelpixeldetektoren aufgenommen. Die verwendeten Flächenlichtmodulatoren des Fraunhofer IPMS bestehen aus Tausenden oder sogar Millionen von einzelnen beweglichen Spiegeln mit einer Größe von jeweils nur wenigen Mikrometern. Um die beste Lösung für die speziellen Anforderungen im Projekt zu finden, nutzte das Fraunhofer IPMS seine mehr als 25-jährige Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung von Flächenlichtmodulatoren. Dabei waren die größten Herausforderungen die Weltraumtauglichkeit aller Komponenten sowie die Abdeckung eines breiten Spektralbereichs vom sichtbaren bis zum mittleren Infrarot.
