Im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) geförderten Verbundprojekt miniLIDAR haben die Jena-Optronik GmbH sowie ein Leibniz-Institut und mehrere Fraunhofer-Institute gemeinsam ein neuartiges LiDAR-System für Weltraumanwendungen entwickelt. Das Ergebnis ist ein innovatives, SPAD-basiertes System, das deutlich kompakter, leichter und energieeffizienter als bisherige Lösungen ist und zugleich den Anforderungen der Raumfahrt standhält.

Im Verbundprojekt miniLIDAR arbeiten die Partner an hochpräzisen LiDAR-Systemen. LiDAR-Systeme erfassen die Umgebung mit Laserlicht in 3D und liefern exakte Entfernungsinformationen, ähnlich wie Radar, jedoch deutlich genauer. Bisher waren solche Systeme groß, schwer und energieintensiv. Durch den miniaturisierten Ansatz im Projekt können die Sensoren nun um einen Faktor 10 kompakter, leichter und effizienter gebaut werden.

Rolle des Fraunhofer IMS

Am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS entwickelten die Forschenden eine zentrale Schlüsselkomponente für die nächste Generation dieser Laser-Sensoren: einen SPAD-Detektor mit einer Auflösung von 112 × 112 Pixeln. Durch die Kombination des Detektors mit einer speziell angepassten Ausleseelektronik (ROIC) sowie neuartigen Auswertealgorithmen konnten die extrem hohen Datenmengen erstmals effizient verarbeitet werden. Damit wurde nicht nur ein entscheidender Schritt in Richtung miniaturisierter und energieeffizienter LiDAR-Systeme gemacht, sondern es entstand zugleich eines der weltweit ersten SPAD-basierten LiDAR, das aktuell für den Einsatz im Weltraum qualifiziert wird.

»Mit unserem neuen Detektor schaffen wir die Voraussetzungen für LiDAR-Systeme, die auch unter extremen Bedingungen, wie beim Raketenstart, zuverlässig arbeiten. Gleichzeitig eröffnen wir damit neue Perspektiven für sicherere Raumfahrtmissionen, autonomes Fahren und eine flexible Industrieproduktion«, erklärt Dr. Dirk Weiler, Leitung Space and Security am Fraunhofer IMS.

Leistung der Projektpartner und Gesamtkonzept

Das Projekt miniLIDAR wurde unter Federführung der Jena-Optronik GmbH gemeinsam mit den Fraunhofer-Instituten IPMS und IZM und dem Leibniz-Institut FBH durchgeführt. Während das Fraunhofer IMS den Detektor und die Auswertealgorithmen entwickelte, arbeiteten die Fraunhofer-Partner an innovativen Scanmodulen und optischen Phased Arrays, das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) an Laserdioden.

Konkret entwickelte das Fraunhofer IPMS ein MEMS-Vektorscanmodul, das eine präzise Ablenkung des Laserstrahls bei gleichzeitig hoher Robustheit gegenüber Vibrationen und Schocks ermöglicht – eine zentrale Voraussetzung für den Einsatz im All. Das Fraunhofer IZM erforschte Optical Phased Arrays (OPA), also Systeme zur elektronischen Steuerung von Lichtstrahlen, als vielversprechende Technologie für besonders kompakte LiDAR-Designs der nächsten Generation. Am Leibniz-Institut Ferdinand-Braun-Institut (FBH) wurden leistungsstarke Laserquellen entwickelt, die die notwendige Strahlqualität und Zuverlässigkeit bereitstellen. Die Jena-Optronik GmbH übernahm die Systemintegration und bündelte die Beiträge der Partner in einem funktionsfähigen Gesamtsystem. So entstand ein LiDAR-Sensor, der deutlich kleiner, leichter und energieeffizienter ist als bisherige Lösungen und gleichzeitig für die extremen Bedingungen der Raumfahrt qualifiziert wird.

Bedeutung des Projektes

Die Ergebnisse tragen dazu bei, Deutschlands Spitzenposition in der Weltraumtechnologie und intelligenten Mobilität zu stärken und sind ein wichtiger Baustein für den sicheren Einsatz von Robotik, ob im Orbit oder auf der Erde. Das Projekt miniLIDAR wurde unter der Projektnummer 50RA1923 vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWE) mit knapp 5,9 Millionen Euro gefördert und lief von Dezember 2019 bis Dezember 2025. Ab Mai 2025 wurde ein Nachfolgeprojekt mit dem Ziel zur Qualifizierung mit dem erfolgreichen Konsortium gestartet.

Fraunhofer IMS

Mit intelligenten Sensorsystemen gestaltet das Fraunhofer IMS eine sichere und nachhaltige Zukunft. In hochmodern ausgestatteten Laboren forschen über 220 wissenschaftliche Mitarbeitende und Studierende an innovativen mikroelektronischen Lösungen. Als zuverlässiger Forschungs- und Entwicklungspartner realisiert das Institut maßgeschneiderte Sensorik und Elektronik für Anwendungen in Gesundheit, Industrie, Mobilität, Raumfahrt sowie für Sicherheits- und Verteidigungstechnologien.

Dabei bringt das Fraunhofer IMS biomedizinische und optische Sensoren, photonische und integrierte Halbleitertechnologien sowie eingebettete und generative Künstliche Intelligenz zusammen. Ergänzt wird dieses Portfolio durch ASIC- und Mixed-Signal-Designs, MEMS- und ALD-Verfahren sowie Wafer-Level- und heterogene Integration.

Die Lösungen des Fraunhofer IMS überzeugen durch hohe Integrationsfähigkeit, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit auch unter anspruchsvollen Bedingungen. Sie ermöglichen es, den Transfer von Halbleitertechnologien und -prozesse vom Labor über Pilotprojekte bis zur industriellen Fertigung (Lab-to-Fab) zu skalieren.