Objektorientierte Modellierung und Simulation von optomechatronischen Systemen mit Modelica

Optomechatronische Systeme vereinen mechanische, elektrische und optische Komponenten. Beispiele sind Systeme zur optischen Signalverarbeitung, Interferometer oder adaptiv/aktiv geregelte Teleskope. Der Entwurf dieser komplexen Systeme erfordert Softwarewerkzeuge zur rechnergestützten Modellbildung und Simulation. Die objektorientierte Modellierungsumgebung Modelica hat sich in den letzten Jahren zur Modellierung von heterogenen Systemen etabliert. Neben umfangreichen Modellbibliotheken existieren eine Reihe von frei oder kommerziell erhältlichen Softwarewerkzeugen. Bisher fehlt jedoch eine Modellbibliothek zur Simulation von optischen Komponenten und Systemen. In dieser Arbeit werden diffraktive optische Modelle modular in Modelica integriert. Dafür wird ein Konzept entwickelt, um die notwendige 2D-Signalverarbeitung schnell durchzuführen. Darauf aufbauend werden die optischen Schnittstellen in Form von Ebenen im Raum und die Verhaltensbeschreibung von optischen Komponenten definiert. Die Kopplung der Optik an die Mehrkörpermechanik für transmissive und reflektive optische Komponenten wird in einer Reihe von virtuellen Klassen implementiert. Durch Vererbung wird diese Funktionalität an spezialisierte opti sche Komponenten übergeben und eine diffraktive Optik-Bibliothek entwickelt. Die Funktion wird durch Simulationsmodelle von repräsentativen optomechatronischen Systemen gezeigt. Dazu zählen ein fourieroptisches 4f-System, ein Mikrospiegel in reflektiver Anordnung und ein aktiv stabilisiertes Michelson-Interferometer.