Innovative Spektroradiometer zur besseren Analyse von Licht

Mit einem Auftakttreffen am 23.09.2025 in Erfurt haben die Projektpartner IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, JETI Technische Instrumente GmbH und X-FAB Global Services GmbH die Arbeiten für das im September gestartete dreijährige Verbundvorhaben „PANDIA – Interdisziplinäre Partnerschaft für innovative Spektroradiometer aus Thüringen“ begonnen. Das vom Freistaat Thüringen geförderte und von der Europäischen Union kofinanzierte Projekt bringt die Kompetenzen in Optik und Photonik aus Jena mit denen in der Mikroelektronik und Sensorik aus Erfurt enger zusammen. Ziel ist die Entwicklung neuer Generationen von Spektroradiometern mit höherer Empfindlichkeit, kürzeren Messzeiten und größerem Dynamikbereich, um Licht für zahlreiche Anwendungen deutlich besser und effizienter zu analysieren.

Spektroradiometer sind unverzichtbare Werkzeuge in vielen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen, die eine präzise Analyse der spektralen Eigenschaften von Licht erfordern. Sie werden weltweit in unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt – von der HDR-Display- und Projektorherstellung und Beleuchtungsindustrie über die Photovoltaik, Materialwissenschaft und Umwelttechnik bis hin zur Lebensmittelindustrie, pharmazeutischen Qualitätskontrolle, medizinischen Forschung und Diagnostik.
In Bezug auf Schnelligkeit, Messgenauigkeit, Dynamikbereich und Stabilität erfüllt der weltweite Stand der Technik in einigen Anwendungen jedoch nicht die ökonomischen und technischen Anforderungen, etwa weil die Messungen die Produktion zu lange aufhalten, Umwelteinflüsse wie z.B. hohe Temperaturen die Ergebnisse verfälschen können und dann neue Referenzmessungen und Neukalibrierungen für weitere Verzögerungen sorgen. Grund ist, dass die Geräte bislang auf zugekaufte Detektoren setzen. Zudem werden Komponenten wie mechanische Shutter und für anspruchsvollere Messungen gekühlte Sensoren oder optische Aufbauten genutzt, die eine kompakte Integration in kleine Messgeräte verhindern. 

In PANDIA entwickeln die Partner daher erstmals anwendungsspezifische Zeilensensor-Chips. Diese beinhalten zwei neue Sensorkonzepte, die in die Mikroelektronik-Chips integriert werden. Zum einen werden Photodioden-basierte Zeilensensoren mit integrierter elektronischer Dunkelreferenz entwickelt. Diese ersetzen Lösungen mit dem derzeit üblichen mechanischen Shutter, was die Messzeit halbiert und die Robustheit steigert. Zum anderen werden mit der Entwicklung von SPAD-basierten Zeilensensoren Single-Photon-Avalanche-Dioden (SPADs) genutzt, die einzelne Photonen detektieren und so selbst extrem schwache Lichtquellen erfassen können.
Zusätzlich sind in beiden Sensorkonzepten integrierte Analog-Digital-Wandler und Temperatursensoren vorgesehen, was die Messgenauigkeit erhöht und die Systemintegration erleichtert.

Das Projekt vereint die Stärken dreier Thüringer Partner: Das IMMS koordiniert das Projekt, entwickelt die mikroelektronischen Sensor-Chips vom Schaltplan über Layout und Simulation bis zur Inbetriebnahme und unterstützt bei der Integration in die Spektroradiometer. JETI bringt seine Erfahrung in der Entwicklung und Vermarktung von Spektroradiometern ein und integriert die neuen Sensoren in Demonstratoren für Eignungstests sowie in Labormuster, die anwendungsnah unter realen Bedingungen evaluiert werden. X-FAB stellt die Halbleitertechnologie XS018 bereit und liefert optimierte Photodioden und SPADs. Mit dieser engen Zusammenarbeit wird die regionale Wertschöpfungskette von der Halbleiterfertigung über die Forschung bis zum Endprodukt geschlossen.

Mit PANDIA wird Thüringen unabhängiger von außereuropäischen Zulieferern für kritische Sensorkomponenten. Die neue Generation von Spektroradiometern wird schneller, empfindlicher und robuster sein und so die internationale Wettbewerbsfähigkeit der beteiligten Partner stärken. Gleichzeitig trägt das Projekt zur wirtschaftlichen Entwicklung der Region bei, indem es die Innovationskraft der zwei Thüringer Schlüsselbranchen Optik/Photonik und Mikroelektronik vernetzt.