JP2016181184A - 制御装置、光学装置、制御方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】、制御対象物を高精度に設定値に制御することができる制御装置等の技術を提供する。【解決手段】制御装置６０の制御部６１は、比例係数と、予め設定されている設定値及び制御対象物を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出し、第１の総和に基づいて、制御対象物を制御する。【選択図】図１

Description

本技術は、温度制御等の各種の制御に用いられる制御装置等の技術に関する。

従来から、ＰＩＤ制御により、温度制御、圧力制御、流量制御、速度制御、トルク制御等の各種の制御を行う技術が知られている（例えば、下記特許文献１、２参照）。

ＰＩＤ制御は、フィードバック制御の一種であり、測定値及び設定値の偏差を含む比例項、偏差の積分値を含む積分項、並びに、偏差の微分値を含む微分項からなる３つの項から得られる値によって、制御対象物の温度等を制御する方法である。

特開２０１０−２０７０４号公報 特許第３２７８８０７号公報

ここで、一例として、ＰＩＤ制御による温度制御によって、制御対象物を設定温度に維持する場合において、制御対象物の温度が設定温度の付近で推移している場合を想定する。この場合、ＰＩＤ制御では、ＰＩＤ制御関数の出力が０になるように動作するため、設定温度と環境温度との間に差がある場合に、制御対象物の温度が環境温度に引っ張られて制御対象物の温度が平均的に環境温度側に偏り、制御による低周波リプルが発生してしまう場合がある。従って、通常のＰＩＤ制御では、制御対象物を高精度に設定値に制御することができない。

以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、制御対象物を高精度に設定値に制御することができる制御装置等の技術を提供することにある。

本技術に係る制御装置は、制御部を具備する。前記制御部は、比例係数と、予め設定されている設定値及び制御対象物を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、前記偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、前記偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、前記偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出し、前記第１の総和に基づいて、前記制御対象物を制御する。

本技術に係る制御装置では、比例項、積分項、微分項及びオフセット項を含む４つの項の第１の総和に基づいて、制御対象物が制御される。すなわち、通常のＰＩＤ制御とは異なり、本技術では、オフセット項が新たに追加されている。

オフセット項は、オフセット係数と、偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積である。このオフセット項は、制御対象物の温度、圧力、流量、速度、トルク等（以下、温度等）を設定値に維持するために平均的に出力を掛けつづければならない状況下において、どの程度の平均的出力を掛け続ければよいかを表す値としての意義を有している。

そして、このオフセット項を前提として各種のパラメータ（比例係数、積分係数、微分係数等）を求めると、定常状態（制御対象物の温度等が設定値の付近で推移している状態）における温度等の推移におけるリプルを緩やかにすることが可能なパラメータを求めることができる。従って、本技術に係る制御装置では、定常状態におけるリプルを低減させることができるので、制御対象物の温度等を高精度に設定値に制御することができる。

上記制御装置において、前記制御部は、前記第１の総和を算出し、前記第１の総和に基づいて、前記制御対象物を制御する第１のモードと、前記比例項、前記積分項及び前記微分項を含む３つの項の第２の総和を算出し、前記第２の総和に基づいて、前記制御対象物を制御する第２のモードとを切り換え可能であってもよい。

これにより、必要に応じて、適切に２つのモードを切り換えることができる。

上記制御装置において、前記制御部は、前記測定値が前記設定値から所定の範囲内で推移しているとき、前記制御対象物を前記第１のモードで制御し、前記測定値が前記所定の範囲内で推移していないとき、前記制御対象物を前記第２のモードで制御してもよい。

これにより、必要に応じて、適切に２つのモードを切り換えることができる。

上記制御装置において、前記オフセット値は、第１の積分範囲で前記偏差を積分した積分値がプラスであれば、プラス及びマイナスのうち一方の値となり、前記第１の積分範囲で前記偏差を積分した積分値がマイナスであれば、プラス及びマイナスのうち他方の値となる値を、第２の積分範囲で積分した値であってもよい。

これにより、どの程度の平均的出力を掛け続ければよいかを表す値としての意義を有するオフセット項におけるオフセット値を正確に算出することができる。

上記制御装置において、前記第１の積分範囲は、現在時刻よりも所定時間前の時刻から現在時刻までの範囲であってもよい。

これにより、オフセット値を正確に算出することができる。

上記制御装置において、前記第２の積分範囲は、前記第１のモードでの制御が開始されてから現在時刻までの範囲であってもよい。

これにより、オフセット値を正確に算出することができる。

上記制御装置において、前記オフセット値は、第１の積分範囲で前記偏差を積分した積分値がプラスであれば、プラス及びマイナスのうち一方の値となり、前記第１の積分範囲で前記偏差を積分した積分値がマイナスであれば、プラス及びマイナスのうち他方の値となる値を、第２の積分範囲で積分した値であってもよい。

これにより、どの程度の平均的出力を掛け続ければよいかを表す値としての意義を有するオフセット項におけるオフセット値を正確に算出することができる。

上記制御装置において、前記制御部は、制御対象物の温度を制御してもよい。

請求項１に記載の制御装置であって、
前記制御部は、前記制御対象物としての光学素子を制御してもよい。

本技術に係る制御装置は、制御対象物と、制御部とを具備する。前記制御部は、比例係数と、予め設定されている設定値及び制御対象物を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、前記偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、前記偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、前記偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出し、前記第１の総和に基づいて、前記制御対象物を制御する。

本技術に係る光学装置は、光学素子と、制御部とを具備する。前記制御部は、比例係数と、予め設定されている設定値及び前記光学素子を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、前記偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、前記偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、前記偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出し、前記第１の総和に基づいて、前記光学素子を制御する。

本技術に係る制御方法は、比例係数と、予め設定されている設定値及び制御対象物を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、前記偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、前記偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、前記偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出することを含む。
前記第１の総和に基づいて、前記制御対象物が制御される。

本技術に係るプログラムは、コンピュータに、
比例係数と、予め設定されている設定値及び制御対象物を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、前記偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、前記偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、前記偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出するステップと、
前記第１の総和に基づいて、前記制御対象物を制御するステップと
を実行させる。

以上のように、本技術によれば、制御対象物を高精度に設定値に制御することができる制御装置等の技術を提供することができる。

本技術の一実施形態に係る制御装置が適用された光源装置を示す図である。 制御部が非線形結晶の温度を制御するときの処理を示すフローチャートである。 非線形結晶の温度の推移を表す図である。 オフセット値を決定するときの処理を示すフローチャートである。 図４に示す処理を説明するための補足図であり、定常状態における非線形結晶の温度の推移を表す図である。 通常のＰ制御関数と、Ｐ制御関数の右辺にオフセット項が追加された場合のＰ制御関数との関係を示す図である。

以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。

＜光源装置１００の全体構成及び各部の構成＞
図１は、本技術の一実施形態に係る制御装置６０が適用された光源装置１００を示す図である。この光源装置（光学装置）１００は、例えば、生体サンプルを観察する生体顕微鏡の光源として用いられる。なお、光源装置１００をどのような装置に用いるかについては適宜変更することができる。

図１に示すように、光源装置１００は、半導体レーザ部１０と、波長変換共振部２０と、反射光検出部３０と、補正光学系４０と、温度調整機構５０と、制御装置６０とを備えている。

「半導体レーザ部１０」
半導体レーザ部１０は、励起光として用いられるパルスレーザを出射可能とされる。この半導体レーザ部１０は、モードロック発振器、各種レンズ、アイソレータ、プリズムペア、λ／２板、半導体増幅装置等を有するＭＯＰＡ（Master Oscillation Power Amplifier）システムによって構成される。このようなＭＯＰＡシステムを有する半導体パルスレーザ部では、出力が約数百Ｗであり、パルス時間幅が約３ｐｓであるパルス光を生成することができる。

「波長変換共振部２０」
波長変換共振部２０は、半導体パルスレーザ部から出射された励起光を共振させて増幅し、非線形結晶２４を用いて、励起光とは波長が異なる出力光を生成する。この波長変換共振部２０は、パンプレゾナント方式とされている。

波長変換共振部２０は、励起光入力カプラ２１と、ダイクロイックミラー２２と、第１の曲面ミラー２３ａと、第２の曲面ミラー２３ｂと、非線形結晶（制御対象物：光学素子）２４とを有している。また、波長変換共振部２０は、励起光ミラー２５と、シグナル光出力カプラ２６と、第１サーボ機構２７と、第２のサーボ機構２８と、シグナル光検出器２９とを有している。

非線形結晶２４は、励起光の波長変換に用いられる結晶であり、その結晶が有する複屈折性により、入射された励起光を、励起光の波長とは異なる波長の光へと変換する。この非線形結晶２４は、入射される励起光の波長に応じて、利用可能な結晶が決まっている。例えば、入射される励起光が青色光である場合、非線形結晶２４として、ＢＢＯ（β‐ＢａＢ_２Ｏ_４）、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）、ＢｉＢＯ（ＢｉＢ３Ｏ６）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）、ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）等の青色光用の非線形結晶２４が用いられる。

非線形結晶２４により生成される出力光の波長は、非線形結晶２４の温度を制御することで切り換えることができる。非線形結晶２４による温度は、制御装置６０によって制御される。

半導体レーザ部１０から出射された励起光は、ミラー１１、１２及びフォーカシングレンズ１３を介して波長変換共振部２０の内部に導かれる。波長変換共振部２０の内部に導かれた励起光は、励起光入力カプラ２１、ダイクロイックミラー２２、第１の曲面ミラー２３ａ、非線形結晶２４、第２の曲面ミラー２３ｂ、励起光ミラー２５、第２の曲面ミラー２３ｂ、非線形結晶２４、第１の曲面ミラー２３ａ、ダイクロイックミラー２２、励起光入力カプラ２１、ダイクロイックミラー２２・・という光路をたどる。

この励起光ミラー２５を一端部とし、励起光入力カプラ２１を他端部とした光路を、以降では第１の光路と呼ぶ。本実施形態では、この第１の光路において励起光が増幅される。

励起光が非線形結晶２４を透過するとき、シグナル光及びアイドラー光という、励起光とは波長の異なる光が発生する。シグナル光及びアイドラー光は、いずれも外部に取り出すことによって光源として利用可能であるが、本実施形態では、シグナル光を外部に取り出して光源として利用する場合について説明する。

非線形結晶２４で発生したシグナル光は、第２の曲面ミラー２３ｂ、励起光ミラー２５、第２の曲面ミラー２３ｂ、非線形結晶２４、第１の曲面ミラー２３ａ、ダイクロイックミラー２２、シグナル光出力カプラ２６、ダイクロイックミラー２２・・という光路をたどる。

この励起光ミラー２５を一端部とし、シグナル光出力カプラ２６を他端部とした光路を、以降では、第２の光路と呼ぶ。本実施形態では、この第２の光路においてシグナル光が生成され、シグナル光の強度が増幅される。

本実施形態では、第１の光路及び第２の光路における光路長を調整するために、励起光ミラー２５に対して第１のサーボ機構２７が設けられており、シグナル光出力カプラ２６に対して第２のサーボ機構２８が設けられている。第１のサーボ機構２７及び第２のサーボ機構２８は、例えば、ボイスコイルモータ、ピエゾ素子などによって構成される。

本実施形態では、第１のサーボ機構２７及び第２のサーボ機構２８により、第１の光路及び第２の光路における光路長をそれぞれ独立して制御することができる。

従って、それぞれ波長が異なる励起光と、シグナル光とを、波長変換共振部２０の内部において、半導体レーザ部１０における発振周期と一致させたタイミングで周回させることが可能となる。これにより、波長変換共振部２０の内部において、励起光及びシグナル光を適切に「共振」させることができる。

第１の光路における光路長の制御は、波長変換共振部２０で反射された励起光（反射光）の強度に応じて実行される。なお、反射された励起光（反射光）の強度は、反射光検出部３０によって検出される。一方、第２の光路における光路長の制御は、波長変換共振部２０の内部におけるシグナル光の強度に応じて実行される。なお、シグナル光の強度は、シグナル光検出器２９によって検出される。

「反射光検出部３０」
反射光検出部３０は、半導体レーザ部１０から出射された励起光を波長変換共振部２０に導き、かつ、波長変換共振部２０からの反射光の強度を検出する。反射光検出部３０は、アイソレータ３１と、λ／２板３２と、ミラー３３と、減光フィルタ３４と、レンズ３５と、反射光検出器３６とを含む。

半導体レーザ部１０から出射された励起光は、アイソレータ３１及びλ／２板３２を透過して波長変換共振部２０へと導かれる。一方、波長変換共振部２０からの反射光は、λ／２板３２を透過した後、アイソレータ３１によってミラー３３側に導かれる。これにより、反射光が半導体レーザ部１０側に戻ってしまうことが防止される。ミラー３３側に導かれた光は、ミラー３３によって反射された後、減光フィルタ３４、レンズ３５を透過して反射光検出器３６に入射される。そして、入射された光の強度が反射光検出器３６によって検出される。

「補正光学系４０」
補正光学系４０は、半導体レーザ部１０から出射された励起光のビーム形状や収差などを補正する。このような補正によって、波長変換共振部２０への励起光の結合効率を向上させることができる。この補正光学系４０としては、例えば、レンズ及びアナモルフィックレンズが組み合わされた光学系や、シリンドリカルレンズを含む光学系が用いられる。

「温度調整機構５０」
温度調整機構５０は、波長変換共振部２０が有する非線形結晶２４の温度を検出して検出値を制御部６１に出力する温度検出部５１と、制御部６１の制御下において非線形結晶２４の温度を調整する温度調整部５２とを含む。温度検出部５１としては、例えば、電気抵抗を利用して熱を検出するサーミスタや、ゼーベック効果を利用して熱を検出する熱電対が用いられる。また、温度調整部５２としては、ペルチェ効果を利用して非線形結晶２４の温度を調整するペルチェ素子等が用いられる。

ここで、非線形結晶２４は、入射された励起光に応じて出力光を発生するときに、励起光を吸収して発熱するといった特性を有している。本実施形態では、励起光が継続的に非線形結晶２４に入射され、非線形結晶２４が継続的に発熱するため、温度調整部５２により非線形結晶２４が継続的に冷却される。

「制御装置６０」
制御装置６０は、制御部６１と、記憶部６２と、入力部６３と、表示部６４と、通信部６５とを含む。なお、制御装置６０は、温度調整機構５０を含んでいてもよいし、制御対象物（本実施形態では、非線形結晶２４）を含んでいてもよい。

制御部６１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成される。制御部６１は、記憶部６２に記憶された各種のプログラムに基づき種々の演算を実行し、光源装置１００の各部を統括的に制御する。

本実施形態では、制御部６１は、主に、２種類の処理を実行する。１つ目は、第１の光路及び第２の光路の光路長を制御する処理である。２つ目は、本技術の特徴に係る処理であり、波長変換共振部２０が有する非線形結晶２４の温度を制御する処理である。

ここで、１つ目の処理について簡単に説明する。なお、２つ目の処理については、後の動作説明の欄において詳述する。

第１の光路の光路長を制御する処理では、まず、制御部６１は、反射光検出部３０の反射光検出器３６によって検出された反射光の強度に関する情報を取得する。そして、制御部６１は、この情報に基づいて、第１のサーボ機構２７の駆動させるための駆動信号を生成し、第１のサーボ機構２７へ出力する。第１のサーボ機構２７は、入力された駆動信号に基づいて、波長変換共振部２０内の励起光ミラー２５を光軸方向に沿って移動させる。

第２の光路の光路長を制御する処理では、まず、制御部６１は、波長変換共振部２０内のシグナル光検出器２９によって検出されたシグナル光の強度に関する情報を取得する。そして、制御部６１は、この情報に基づいて、第２のサーボ機構２８の駆動させるための駆動信号を生成して第２のサーボ機構２８へ出力する。第２のサーボ機構２８は、入力された駆動信号に基づいて、波長変換共振部２０内のシグナル光出力カプラ２６を光軸方向に沿って移動させる。

ここで、非線形結晶２４から出力されるシグナル光の波長を変化させるため、非線形結晶２４の設定温度Ｔｓｅｔが変更される場合もある。このような場合、制御部６１は、元の設定温度Ｔｓｅｔと、現在の設定温度Ｔｓｅｔとの差に応じて、第１の光路及び第２の光路の光路長を変化させる。

記憶部６２は、制御部６１の処理に必要な各種のプログラムや各種のデータが記憶される不揮発性のメモリと、制御部６１の作業領域として用いられる揮発性のメモリとを含む。上記各種のプログラムは、光ディスク、半導体メモリ等の可搬性の記録媒体から読み取られてもよいし、ネットワーク上のサーバ装置から通信部６５を介してダウンロードされてもよい。

入力部６３は、ユーザからの指示を入力して、ユーザの指示に応じた信号を制御部６１１へ出力する。入力部６３は、例えば、キーボード、マウスなどを含み、また、表示部６４上に設けられたタッチセンサなどを含む。

表示部６４は、例えば、液晶ディスプレイ、あるいは、ＥＬディスプレイ（ＥＬ：Electro Luminescence）等により構成され、制御部６１の制御に基づき、各種の画像を画面上に表示させる。通信部６５は、ネットワーク上のサーバ装置等の他の装置と通信可能に構成されている。

＜動作説明＞
次に、制御部６１が非線形結晶２４の温度を制御するときの動作について説明する。ここで、非線形結晶２４から出力されるシグナル光（アイドラー光も同様）の波長は、温度依存性が高く、温度が少し変化しただけでも波長が大きく変化してしまう。従って、本実施形態に係る制御部６１は、非線形結晶２４の温度を設定温度Ｔｓｅｔに高精度に維持するための処理を実行する。

図２は、制御部６１が非線形結晶２４の温度を制御するときの処理を示すフローチャートである。図３は、非線形結晶２４の温度の推移を表す図である。

図２に示すように、まず、制御部６１は、非線形結晶２４の温度制御に必要な各種のパラメータが、入力部６３を介してユーザにより既に入力済みであるか否かを判定する（ステップ１０１）。

ユーザにより設定されるパラメータは、非線形結晶２４の設定温度Ｔｓｅｔと、リプル上限値Ｔｐｐと、リプル下限値Ｔｐｍとを含む（図３参照）。また、パラメータは、ＰＩＤ制御（Ｐ：Proportion Ｉ：Integration Ｄ：Derivation）が実行されるときに使用されるＰＩＤ制御関数（下記式１参照）において設定する必要があるパラメータを含む。さらに、パラメータは、ＰＩＤＯ制御（Ｐ：Proportion Ｉ：Integration Ｄ：Derivation Ｏ：Offset）が実行されるときに使用されるＰＩＤＯ制御関数（下記式２参照）において設定する必要があるパラメータを含む。

図３を参照して、設定温度Ｔｓｅｔは、非線形結晶２４から目的の波長のシグナル光を得るために設定される温度である。リプル上限値Ｔｐｐは、非線形結晶２４の温度が設定温度Ｔｓｅｔの付近で波を打つようにして推移するときに許容される上限としての値である。リプル下限値Ｔｐｍは、非線形結晶２４の温度が設定温度Ｔｓｅｔの付近で波を打つようにして推移するときに許容される下限としての値である。

ここで、本実施形態では、非線形結晶２４の温度制御を高精度に行わなければならない関係上、リプルが許容される範囲であるリプル上限値Ｔｐｐからリプル下限値Ｔｐｍまでの範囲（リプル許容範囲）は小さく設定されている。具体的には、本実施形態では、リプル上限値Ｔｐｐが設定温度Ｔｓｅｔ＋０．１℃程度に設定されており、リプル上限値Ｔｐｍが設定温度Ｔｓｅｔ−０．１℃程度に設定されている。つまり、本実施形態では、リプル許容範囲は、設定温度Ｔｓｅｔ±０．１℃程度に設定されている。

下記の式１を参照して、ＰＩＤ制御関数において設定する必要があるパラメータは、比例係数Ｋｐと、積分係数Ｋｉと、微分係数Ｋｄと、積分項における偏差ｅ（ｔ）の積分時間Ｔｉとを含む。下記の式２を参照して、ＰＩＤＯ制御関数において設定する必要があるパラメータは、比例係数Ｋｐと、積分係数Ｋｉと、微分係数Ｋｄと、積分項における偏差ｅ（ｔ）の積分時間Ｔｉと、オフセット値を算出するための偏差ｅ（ｔ）の積分時間Ｔｃとを含む。

なお、本実施形態では、比例係数Ｋｐ、積分係数Ｋｉ、微分係数Ｋｄ、積分項における偏差ｅ（ｔ）の積分時間Ｔｉは、ＰＩＤ制御関数及びＰＩＤＯ制御関数においてそれぞれ異なる値が用いられる。なお、比例係数Ｋｐ、積分係数Ｋｉ、微分係数Ｋｄ、積分時間Ｔｉのうち少なくとも１つの値がＰＩＤ制御関数及びＰＩＤＯ制御関数で共通とされていてもよい。

再び図２を参照して、温度制御に必要な各種のパラメータがユーザにより入力されていない場合（ステップ１０１のＮＯ）、制御部６１は、パラメータ入力用の画像（図示せず）を表示部６４の画面上に表示させる（ステップ１０２）。制御部６１は、パラメータ入力用の画像においてパラメータが入力されると、入力された値を記憶部６２に記憶する。そして、制御部６１は、再びステップ１０１へ戻り、温度制御に必要な各種のパラメータがユーザにより既に入力されているか否かを判定する。

温度制御に必要な各種のパラメータがユーザにより既に入力されている場合（ステップ１０１のＹＥＳ）、制御部６１は、各種のパラメータを記憶部６２から読み出して、パラメータを設定する処理を実行する（ステップ１０３）。なお、ステップ１０３では、前回以前の温度制御において入力されたパラメータが存在する場合には必要に応じてそのパラメータが使用される。

制御部６１は、パラメータを設定すると、次に、非線形結晶２４の温度制御を開始するかどうかを判定する（ステップ１０４）。本実施形態では、制御部６１は、半導体レーザ部１０により励起光の出射が開始されると、非線形結晶２４の温度制御を開始すると判断し、その制御を開始する。

制御部６１は、非線形結晶２４の温度制御を開始すると（ステップ１０４のＹＥＳ）、非線形結晶２４の温度の推移状態が定常状態及び遷移状態のいずれであるかを判定する（ステップ１０５）。

ここで、定常状態とは、非線形結晶２４の温度（測定温度）が、設定温度Ｔｓｅｔの付近においてリプル許容範囲（リプル上限値Ｔｐｐ〜リプル下限値Ｔｐｍ）内で推移している状態のことを意味する。一方、遷移状態とは、非線形結晶２４の温度の推移状態が定常状態になく、非線形結晶２４の温度が設定温度Ｔｓｅｔに向かって遷移している状態のことを意味する。

ステップ１０５では、具体的には、制御部６１は、非線形結晶２４の現在の温度（測定温度）がリプル許容範囲外である場合には、非線形結晶２４の温度の推移状態が遷移状態であると判定する。また、制御部６１は、非線形結晶２４の現在の温度がリプル許容範囲内であるとしても、リプル許容範囲外であった非線形結晶２４の温度が最初に設定温度Ｔｓｅｔに到達するまでの間は、非線形結晶２４の温度の推移状態が遷移状態であると判定する。

一方、制御部６１は、非線形結晶２４の現在の温度がリプル許容範囲内にあり、かつ、リプル許容範囲外であった非線形結晶２４の温度が設定温度Ｔｓｅｔに最初に到達した後においては、非線形結晶２４の温度の推移状態が定常状態であると判定する。

なお、制御部６１は、単純に、非線形結晶２４の現在の温度がリプル許容範囲外である場合に、温度の推移状態が遷移状態であると判定し、非線形結晶２４の現在の温度がリプル許容範囲内である場合に、温度の推移状態が定常状態であると判定してもよい。

非線形結晶２４の温度の推移状態が遷移状態にある場合（ステップ１０５のＮＯ）、制御部６１は、ＰＩＤ制御によって非線形結晶２４の温度を制御し（ステップ１０６）、次のステップ１０８へ進む。一方、非線形結晶２４の温度の推移状態が定常状態にある場合（ステップ１０５のＹＥＳ）、制御部６１は、ＰＩＤＯ制御によって非線形結晶２４を制御し（ステップ１０７）、次のステップ１０８へ進む。

以降の説明では、ＰＩＤ制御により非線形結晶２４の温度が制御されるモードをＰＩＤ制御モード（第２のモード）と呼び、ＰＩＤＯ制御により非線形結晶２４の温度が制御されるモードをＰＩＤＯ制御モード（第１のモード）と呼ぶ。

本実施形態において、ＰＩＤ制御モードは、非線形結晶２４の温度の推移状態を素早く定常状態に導くためのモードである。一方、ＰＩＤＯ制御モードは、定常状態において、非線形結晶２４の温度を安定させる（リプルを緩やかにする）ためのモードである。なお、ＰＩＤ制御及びＰＩＤＯ制御についての詳細は、後に詳述する。

ステップ１０８では、制御部６１は、非線形結晶２４の温度制御を終了するかどうかを判定する。非線形結晶２４の温度制御が継続される場合（ステップ１０８のＮＯ）、制御部６１は、ステップ１０５に戻り、非線形結晶２４の温度の推移状態が定常状態にあるかどうかを判定する。本実施形態では、制御部６１は、半導体レーザ部１０により励起光が出射されている間は、非線形結晶２４の温度制御を継続すると判断し、その制御を継続する。

一方、制御部６１は、半導体レーザ部１０による励起光の出射が終了すると、非線形結晶２４の温度制御を終了すると判断し（ステップ１０８のＹＥＳ）、その制御を終了する。

図３を参照して、図３には非線形結晶２４の温度の推移の一例が示されている。図３に示す例では、最初、非線形結晶２４の温度がリプル許容範囲（リプル上限値Ｔｐｐ〜リプル下限値Ｔｐｍ）から外れている（ポイントＡ参照）。従って、制御部６１は、非線形結晶２４の温度の推移状態が遷移状態であると判定し、ＰＩＤ制御により非線形結晶２４の温度を制御する。

その後、ＰＩＤ制御下において非線形結晶２４の温度が設定温度Ｔｓｅｔに徐々に近づき、その温度がリプル許容範囲内となる。非線形結晶２４の温度がリプル許容範囲内となっても、リプル許容範囲外であった非線形結晶２４の温度が最初に設定温度Ｔｓｅｔに到達するまでの間は、制御部６１は、非線形結晶２４の温度の推移状態が遷移状態であると判定し、ＰＩＤ制御により非線形結晶２４の温度を制御する。

その後、ＰＩＤ制御下において非線形結晶２４の温度が設定温度Ｔｓｅｔに到達すると（ポイントＢ参照）、制御部６１は、非線形結晶２４の温度の推移状態が定常状態となったと判定し、ＰＩＤＯ制御による非線形結晶２４の温度制御を開始する。すなわち、制御部６１は、モードをＰＩＤ制御モードからＰＩＤＯ制御モードへと切り換える。

その後、ＰＩＤＯ制御下において、非線形結晶２４の温度がリプル下限値を下回りリプル許容範囲外となったとする（ポイントＣ参照）。なお、後述のように、ＰＩＤＯ制御では、非線形結晶２４の温度を高精度に制御することができるため、一度、ＰＩＤＯ制御が開始されれば、非線形結晶２４の温度がリプル許容範囲外となる現象はほとんど発生しない（オフセット項が有効になるまでの期間を除く）。つまり、この例は、あくまで、理解を容易にするための一例である。

非線形結晶２４の温度がリプル許容範囲外となると（ポイントＣ参照）、制御部６１は、非線形結晶２４の温度の推移状態が遷移状態となったと判定し、ＰＩＤ制御による非線形結晶２４の温度制御を開始する。すなわち、制御部６１は、モードをＰＩＤＯ制御モードからＰＩＤ制御モードへと切り換える。

その後、リプル許容範囲外となった非線形結晶２４の温度が、ＰＩＤ制御下において設定温度Ｔｓｅｔ側に戻されて設定温度Ｔｓｅｔに徐々に近づき、その温度がリプル許容範囲内となる。非線形結晶２４の温度がリプル許容範囲となっても、リプル許容範囲外であった非線形結晶２４の温度が最初に設定温度Ｔｓｅｔに到達するまでの間は、制御部６１は、非線形結晶２４の温度の推移状態が遷移状態であると判定し、ＰＩＤ制御により非線形結晶２４の温度を制御する。

その後、ＰＩＤ制御下において非線形結晶２４の温度が設定温度Ｔｓｅｔに到達すると（ポイントＤ参照）、制御部６１は、非線形結晶２４の温度の推移状態が定常状態となったと判定し、ＰＩＤＯ制御による非線形結晶２４の温度の制御を開始する。すなわち、制御部６１は、モードをＰＩＤ制御モードからＰＩＤＯ制御モードへと切り換える。

本実施形態では、図２に示す処理により、非線形結晶２４の温度の推移状態を素早く定常状態に導くためのＰＩＤ制御モードと、定常状態において、非線形結晶２４の温度を安定させるためのＰＩＤＯ制御モードとを必要に応じて適切に切り換えることができる。

「ＰＩＤ制御」
次に、ＰＩＤ制御について具体的に説明する。下記の式１は、ＰＩＤ制御において用いられるＰＩＤ制御関数を表している。なお、このＰＩＤ制御関数は、一般的なＰＩＤ制御で用いられる制御関数と同じである。

ＰＩＤ制御関数において、左辺のＵ（ｔ）は、温度調整部５２（本実施形態では、ペルチェ素子）を制御するための制御値を表している。また、右辺の１項目、２項目及び３項目は、それぞれ順番に、比例項（Ｐ項）、積分項（Ｉ項）及び微分項（Ｄ項）を表している。

比例項において、Ｋｐは、比例係数を表しており、ｅ（ｔ）は、設定温度Ｔｓｅｔと、測定温度との時刻ｔにおける偏差を表している。すなわち、比例項は、比例係数Ｋｐと偏差ｅ（ｔ）との積である。

積分項において、Ｋｉは、積分係数を表しており、Ｔｉは、積分制御のための積分時間を表している。すなわち、積分項は、１／積分係数Ｋｉと、現在時刻ｔよりもＴｉ前の時刻から現在時刻ｔまでの範囲で偏差ｅ（ｔ）を積分した積分値との積である。

なお、本実施形態では、積分項は、１／積分係数Ｋｉと、偏差ｅ（ｔ）の積分値との積とされている。一方、積分項は、積分係数Ｋｉと、偏差ｅ（ｔ）の積分値との積とされていてもよい（なお、１／積分係数Ｋｉは、定数であり、１／積分係数Ｋｉが積分係数であるとも言える）。

微分項において、Ｋｄは、微分係数を表している。すなわち、微分項は、微分係数Ｋｄと、偏差ｅ（ｔ）を時間で微分した微分値との積である。

ここで、ＰＩＤ制御関数における、比例係数Ｋｐ、積分係数Ｋｉ、微分係数Ｋｄ、及び積分項における偏差ｅ（ｔ）の積分時間Ｔｉは、予め設定されている定数である。ＰＩＤ制御関数におけるこれらの各種パラメータは、非線形結晶２４の温度の推移状態を素早く定常状態へと導くことができるようにするための値が用いられる。

制御部６１がＰＩＤ制御関数を用いて制御値Ｕ（ｔ）を算出するときの具体的な処理について説明する。なお、ＰＩＤ制御関数により制御値Ｕ（ｔ）が算出され、非線形結晶２４の温度が制御される周期は、例えば、１００ｍｓ程度とされる。

制御値Ｕ（ｔ）を算出するためには、比例項、積分項及び微分項の値を算出する必要がある。比例項の値を算出するとき、まず、制御部６１は、非線形結晶２４の現在における測定温度を温度検出部５１から取得する。次に、制御部６１は、非線形結晶２４の現在の測定温度と、設定温度Ｔｓｅｔ（予め設定されている）との差を算出することによって偏差ｅ（ｔ）を算出する。そして、制御部６１は、比例係数Ｋｐ（予め設定されている）と、算出された偏差ｅ（ｔ）とを乗算することによって、比例項の値を算出する。

ここで、制御部６１は所定の周期（例えば、１００ｍｓ程度）で偏差ｅ（ｔ）を算出するが、制御部６１は偏差ｅ（ｔ）を算出する度に、算出された偏差を時刻に対応付けて記憶部６２に記憶する。

積分項の値を算出するとき、まず、制御部６１は、現在時刻ｔよりもＴｉ（予め設定されている）前から現在時刻ｔまでの間の偏差ｅ（ｔ）を記憶部６２から読み出す。次に、制御部６１は、読み出した全ての偏差ｅ（ｔ）を加算することによって偏差ｅ（ｔ）の積分値を算出する。そして、制御部６１は、１／積分係数Ｋｉ（予め設定されている）と、算出された積分値とを乗算することによって積分項の値を算出する。

微分項の値を算出するとき、制御部６１は、今回の偏差ｅ（ｔ）と、前回の偏差ｅ（ｔ−Δｔ）と記憶部６２から読み出し、今回の偏差ｅ（ｔ）と、前回の偏差ｅ（ｔ−Δｔ）との差を算出することによって、偏差ｅ（ｔ）の微分値を算出する。

そして、制御部６１は、微分係数Ｋｄ（予め設定されている）と、算出された微分値とを乗算することによって積分項の値を算出する。なお、前回の偏差ｅ（ｔ−Δｔ）における括弧内のΔｔは、偏差ｅ（ｔ）の算出周期（つまり、制御値Ｕ（ｔ）の算出周期（１００ｍｓ程度））を表している。

ここで、今回の偏差ｅ（ｔ）と、前回の偏差ｅ（ｔ−Δｔ）との差は、今回における非線形結晶２４の測定温度と、前回における非線形結晶２４の測定温度との差に等しい。従って、今回の偏差ｅ（ｔ）と、前回の偏差ｅ（ｔ−Δｔ）との差の代わりに、今回における非線形結晶２４の測定温度と、前回の非線形結晶２４の測定温度との差が用いられてもよい。

比例項、積分項及び微分項の値を算出すると、制御部６１は、比例項、積分項及び微分項を含む３つの項の総和（第２の総和）を算出する。この総和がＰＩＤ制御における制御値Ｕ（ｔ）であり、本実施形態では、制御部６１は、この制御値Ｕ（ｔ）に基づいてペルチェ素子を制御することによって、非線形結晶２４の温度を制御する。

なお、ペルチェ素子に対する指令は、プラスが冷却を表しており、マイナスが加熱を表している。従って、本実施形態では、ＰＩＤ制御における制御値Ｕ（ｔ）がプラスである場合には、制御部６１は、ペルチェ素子に対して冷却の指示を出す。一方、ＰＩＤ制御における制御値Ｕ（ｔ）がマイナスである場合には、制御部６１は、ペルチェ素子に対して加熱の指示を出す。なお、これについては、ＰＩＤＯ制御における制御値Ｕ（ｔ）についても同様である。

「ＰＩＤＯ制御」
次に、本技術の特徴に係るＰＩＤＯ制御について具体的に説明する。下記の式２は、ＰＩＤＯ制御において用いられるＰＩＤＯ制御関数を表している。

ＰＩＤＯ制御関数において、左辺のＵ（ｔ）は、温度調整部６１（本実施形態では、ペルチェ素子）を制御するための制御値を表している。また、右辺の１項目、２項目、３項目、４項目は、それぞれ順番に、比例項（Ｐ項）、積分項（Ｉ項）、微分項（Ｄ項）及びオフセット項（Ｏ項）を表している。すなわち、ＰＩＤＯ制御関数では、ＰＩＤ制御関数とは異なり、右辺の４項目にオフセット項（Ｏ項）が設けられている。

ＰＩＤＯ制御関数における比例項は、比例係数ＫｐがＰＩＤ制御関数における比例係数Ｋｐとは異なる点を除いて、ＰＩＤ制御関数における比例項と同じである。

また、ＰＩＤＯ制御関数における積分項は、積分係数ＫｉがＰＩＤ制御関数の積分係数Ｋｉとは異なる点、及び積分時間ＴｉがＰＩＤ制御関数の積分時間Ｔｉと異なる点を除いて、ＰＩＤ制御関数における積分項と同じである。

また、ＰＩＤＯ制御関数における微分項は、微分係数ＫｄがＰＩＤ制御関数の微分係数Ｋｄとは異なる点を除いて、ＰＩＤ制御関数における微分項と同じである。

ＰＩＤＯ制御関数におけるオフセット項において、Ｋｏは、オフセット係数を表しており、Ｃｏ（ｔ）は、時刻ｔにおけるオフセット値を表している。すなわち、オフセット項は、オフセット係数Ｋｏと、オフセット値Ｃｏ（ｔ）との積である。

さらに、オフセット値Ｃｏ（ｔ）を表す式において、Ｔｃは、オフセット値を算出するための偏差ｅ（ｔ）の積分時間を表しており、Ｔｓは、ＰＩＤＯ制御の開始時刻を表している。また、オフセット値Ｃｏ（ｔ）を表す式において、ΔＭ（ ）は、括弧内における値がプラスとなった場合には、＋１となり、括弧内における値がマイナスとなった場合には、−１となることを表している（デルタ変換）。

すなわち、オフセット値Ｃｏ（ｔ）は、現在時刻ｔよりもＴｃ前の時刻から現在時刻ｔまでの範囲で偏差ｅ（ｔ）を積分した積分値がプラスであれば＋１となり、積分値がマイナスであれば−１となる値を、ＰＩＤＯ制御の開始時刻Ｔｓから現在時刻ｔまでの範囲で積分した値である。概して言うと、オフセット値は、偏差ｅ（ｔ）の積分値に基づいて得られる値である。

オフセット値Ｃｏ（ｔ）を算出するための偏差ｅ（ｔ）の積分範囲（第１の積分範囲）について説明する。本実施形態では、この積分範囲は、現在時刻ｔよりもＴｃ前の時刻から現在時刻ｔまでの範囲とされている。ここで、積分時間Ｔｃは、短すぎると偏差ｅ（ｔ）の偏りが適切にオフセット値Ｃｏ（ｔ）に反映されない。逆に、積分時間Ｔｃが長すぎるとオフセット項がＰＩＤＯ制御関数に反映されるまでに時間が掛かりすぎる。従って、これらのことを考慮して積分時間Ｔｃは設定される。本実施形態では、積分時間Ｔｃは、３秒程度とされている。なお、この積分時間Ｔｃは、積分項（Ｉ項）における偏差ｅ（ｔ）の積分時間Ｔｉとは独立して個別に設定される。

次に、ΔＭ（ ）が表す値について説明する。本実施形態では、ΔＭ（ ）が表す値は、±１とされているが、この値は、±１に限られない。例えば、ΔＭ（ ）が表す値は、プラス及びマイナスで数字の大きさが同じであれば、±０．５、±２等であってもよい。つまり、ΔＭ（ ）が表す値は、数字の大きさはあまり重要ではなく、プラスか、マイナスかという点が重要とされる。

さらに、本実施形態では、ΔＭ（ ）は、括弧内における値がプラスとなった場合には、プラスとなり、括弧内における値がマイナスとなった場合には、マイナスとなるが、この関係は、逆であってもよい。つまり、ΔＭ（ ）は、括弧内における値がプラスとなった場合には、マイナスとなり、括弧内における値がマイナスとなった場合には、プラスとなってもよい。

次に、ΔＭ（ ）によって表される値を積分する範囲（第２の積分範囲）について説明する。本実施形態では、この積分範囲は、ＰＩＤＯ制御の開始時刻Ｔｓから現在時刻ｔまでの範囲とされている。一方、ΔＭ（ ）によって表される値を積分する範囲は、これに限られない。例えば、この範囲は、現在時刻ｔよりも所定時間前（例えば、１分〜１０分程度：偏差ｅ（ｔ）の積分時間Ｔｃよりも長い）の時刻から現在時刻ｔまでの範囲であってもよい。

ここで、ＰＩＤＯ制御関数における、比例係数Ｋｐ、積分係数Ｋｉ、微分係数Ｋｄ、積分項における偏差ｅ（ｔ）の積分時間Ｔｉ、オフセット項における偏差ｅ（ｔ）の積分時間Ｔｃは、予め設定されている定数である。ＰＩＤＯ制御関数におけるこれらの各種パラメータは、非線形結晶２４の温度を定常状態において安定させる（リプルを緩やかにする）ことができるようにするための値が用いられる。

制御部６１がＰＩＤＯ制御関数を用いて制御値Ｕ（ｔ）を算出するときの具体的な処理について説明する。なお、ＰＩＤＯ制御関数により制御値Ｕ（ｔ）が算出され、非線形結晶２４の温度が制御される周期は、例えば、１００ｍｓ程度とされる。

なお、本実施形態では、ＰＩＤ制御関数により制御値Ｕ（ｔ）が算出されて非線形結晶２４の温度が制御される周期と、ＰＩＤＯ制御関数により制御値Ｕ（ｔ）が算出されて非線形結晶２４の温度が制御される周期とは同じとされている。但し、これらの周期はそれぞれ異なるように設定されていてもよい。

ＰＩＤＯ制御関数において制御値Ｕ（ｔ）を算出するためには、比例項、積分項、微分項及びオフセット項の値を算出する必要がある。ＰＩＤＯ制御関数における比例項、積分項、微分項の値の算出方法は、ＰＩＤ制御関数における比例項、積分項、微分項の値の算出方法と同様である。従って、ここでは、オフセット項の値の算出方法について説明する。

オフセット項の値を算出するためには、現在時刻ｔにおけるオフセット値Ｃｏ（ｔ）を決定する必要がある。図４は、オフセット値Ｃｏ（ｔ）を決定するときの処理を示すフローチャートである。図５は、図４に示す処理を説明するための補足図であり、定常状態における非線形結晶２４の温度の推移を表す図である。

図４に示すように、まず、制御部６１は、ＰＩＤＯ制御が開始されたかどうかを判定する（ステップ２０１）。非線形結晶２４の温度の推移状態が遷移状態から定常状態となり、ＰＩＤＯ制御が開始されると（ステップ２０１のＹＥＳ）、制御部６１は、現在のオフセット値Ｃｏ（ｔ）を０に設定する（ステップ２０２）。

次に、制御部６１は、非線形結晶２４の温度の推移状態が定常状態となり、ＰＩＤＯ制御が開始されてから積分時間Ｔｃが経過しているかどうかを判定する（ステップ２０３）。ＰＩＤＯ制御が開始されてから積分時間Ｔｃが経過していない場合（ステップ２０３のＮＯ）、制御部６１は、現在のオフセット値Ｃｏ（ｔ）を０としたまま次のステップ２０７へ進む。

つまり、ＰＩＤＯ制御が開始されてから積分時間Ｔｃが経過していない場合には、非線形結晶２４の温度の推移状態が定常状態となってからオフセット値Ｃｏ（ｔ）を算出するための十分な時間が経過していないので、オフセット値Ｃｏ（ｔ）は０とされる。

一方、ＰＩＤＯ制御が開始されてから時間Ｔｃが経過している場合（ステップ２０３のＹＥＳ）、制御部６１は、次のステップ２０４へ進む。ステップ２０４では、制御部６１は、現在時刻ｔよりもＴｃ前から現在時刻ｔまでの偏差ｅ（ｔ）を記憶部６２から読み出し、読み出した全ての偏差ｅ（ｔ）を加算することによって偏差ｅ（ｔ）の積分値を算出する。そして、制御部６１は、算出した偏差ｅ（ｔ）の積分値が０以上であるかどうかを判定する。

現在時刻ｔよりもＴｃ前から現在時刻ｔまでの偏差ｅ（ｔ）の積分値が０以上である場合（ステップ２０４のＹＥＳ）、制御部６１は、前回のオフセット値Ｃｏ（ｔ−Δｔ）に対して、１を加算して、今回のオフセット値Ｃｏ（ｔ）を算出する。そして、制御部６１は、次のステップ２０７へ進む。なお、オフセット値Ｃｏ（ｔ−Δｔ）における括弧内のΔｔは、オフセット値の算出周期（つまり、制御値Ｕ（ｔ）の算出周期（１００ｍｓ程度））に相当する。

なお、Ｔｃ〜ｔまでの偏差ｅ（ｔ）の積分値が０である場合、今回のオフセット値Ｃｏ（ｔ）として、前回のオフセット値Ｃｏ（ｔ−Δｔ）が用いられてもよい(つまり、Ｃｏ（ｔ）＝Ｃｏ（ｔ−Δｔ）)。

ここで、今回のオフセット値Ｃｏ（ｔ）が前回のオフセット値Ｃｏ（ｔ−Δｔ）よりも高い値となり、オフセット項の値が前回のオフセット項の値よりも高くなったとする。この場合、オフセット項は、今回の制御値を前回の制御値よりも高い値とさせるように制御値に作用する。なお、今回の制御値が前回の制御値よりも高い値となった場合、制御部６１は、前回よりも低い温度での指令をペルチェ素子に対して与える。

現在時刻ｔよりもＴｃ前から現在時刻ｔまでの偏差ｅ（ｔ）の積分値が０未満である場合（ステップ２０４のＮＯ）、制御部６１は、前回のオフセット値Ｃｏ（ｔ−Δｔ）から１を減算して、今回のオフセット値Ｃｏ（ｔ）を算出する。そして、制御部６１は、次のステップ２０７へ進む。

ここで、今回のオフセット値Ｃｏ（ｔ）が前回のオフセット値Ｃｏ（ｔ−Δｔ）よりも低い値となり、オフセット項の値が前回のオフセット項の値よりも低くなったとする。この場合、オフセット項は、今回の制御値を前回の制御値よりも低い値とさせるように制御値に作用する。なお、今回の制御値が前回の制御値よりも低い値となった場合、制御部６１は、前回よりも高い温度での指令をペルチェ素子に対して与える。

なお、本実施形態では、ステップ２０５及びステップ２０６において、前回のオフセット値Ｃｏ（ｔ−Δｔ）に対して±１が加えられているが、前回のオフセット値Ｃｏ（ｔ−Δｔ）に加えられる値は、±１に限られない。この値は、プラス及びマイナスで数字の大きさが同じであれば、±０．５、±２等であってもよい。

ステップ２０７では、制御部６１は、ＰＩＤＯ制御が終了したかどうかを判定する。ＰＩＤＯ制御が継続される場合（ステップ２０７のＮＯ）、制御部６１は、ステップ２０３へ戻り、ＰＩＤＯ制御が開始されてから時間Ｔｃが経過しているかどうかを判定する。

一方、ＰＩＤＯ制御がＰＩＤ制御に切り換えられることによって、あるいは、非線形結晶２４の温度制御が終了することによってＰＩＤＯ制御が終了した場合（ステップ２０７のＹＥＳ）、制御部６１は処理を終了する。

図４に示す処理によって、現在のオフセット値Ｃｏ（ｔ）が決定されると、制御部６１は、オフセット係数Ｋｏ（予め設定されている）と、現在のオフセット値Ｃｏ（ｔ）とを乗算し、オフセット項の値を算出する。

制御部６１は、オフセット項の値の他に、比例項、積分項及び微分項の値をそれぞれ算出する。そして、制御部６１は、比例項、積分項、微分項及びオフセット項を含む４つの項の総和（第１の総和）を算出する。この総和が、ＰＩＤＯ制御における制御値Ｕ（ｔ）であり、本実施形態では、制御部６１は、この制御値Ｕ（ｔ）に基づいてペルチェ素子を制御することによって、非線形結晶２４の温度を制御する。

図５を参照して、図５には、定常状態における非線形結晶２４の温度の推移の一例が示されている。本実施形態では、非線形結晶２４が発熱し続けるため、定常状態において、非線形結晶２４が冷却されても最初のうちは図５に示すように、非線形結晶２４の温度が設定温度Ｔｓｅｔよりも高い方向へとずれる。

従って、現在時刻ｔよりもＴｃ前から現在時刻ｔまでの偏差ｅ（ｔ）の積分値は、０以上の値となる。この場合、制御部６１は、前回のオフセット値Ｃｏ（ｔ−Δｔ）に対して１を加算することによって、今回のオフセット値Ｃｏ（ｔ）を算出する。

図５に示す例では、今回のオフセット値Ｃｏ（ｔ）が前回のオフセット値Ｃｏ（ｔ−Δｔ）よりも高い値となるので、オフセット項の値が前回のオフセット項の値よりも高くなる。この場合、オフセット項は、今回の制御値を前回の制御値よりも高い値とさせるように制御値に作用する。今回の制御値が前回の制御値よりも高い値となった場合、制御部６１は、前回よりも低い温度での指令をペルチェ素子に指令を出す。

＜作用等＞
次に、本実施形態の作用等について説明する。ここでの説明では、オフセット項が付加されたことによる作用を中心に説明する。

ここで、一例として、通常のＰ制御関数の右辺に対してオフセット項が設けられた場合を想定する。図６は、通常のＰ制御関数と、Ｐ制御関数の右辺にオフセット項が追加された場合のＰ制御関数との関係を示す図である。

図６において、縦軸は、ペルチェ素子に対する制御値Ｕ（ｔ）を表しており、横軸は偏差ｅ（ｔ）を表している。なお、縦軸においてプラスが冷却、マイナスが加熱を表している。また、横軸において、±Ｔｐは、比例制御動作の温度範囲を示している。

また、図６において、点線で示す１本のグラフは通常のＰ制御関数における制御値Ｕ（ｔ）を表しており、一点鎖線で示す２本のグラフはオフセット項が追加された場合のＰ制御関数における制御値Ｕ（ｔ）を表している。

なお、通常のＰ制御関数を表す式は、Ｕ（ｔ）＝Ｋｐ×ｅ（ｔ）であり、オフセット項が追加されたＰ制御関数を表す式は、Ｕ（ｔ）＝Ｋｐ×ｅ（ｔ）＋Ｋｏ×Ｃｏ（ｔ）である。

図６における破線を参照して、通常のＰ制御関数における制御値Ｕ（ｔ）は、±Ｔｐの範囲で、偏差ｅ（ｔ）に対して比例関係にあり、Ｐ制御関数における制御値Ｕ（ｔ）は、偏差ｅ（ｔ）が０となると０となる。従って、偏差ｅ（ｔ）（つまり、測定温度及び設定温度Ｔｓｅｔの差）が０となればペルチェ素子を介して非線形結晶２４に対して加えられる熱は０となる。

しかしながら、非線形結晶２４は発熱し続けるため、偏差ｅ（ｔ）（つまり、測定温度及び設定温度Ｔｓｅｔの差）がある瞬間に０となったとしても、非線形結晶２４を冷却し続けなければ、非線形結晶２４の温度を適切に設定温度Ｔｓｅｔに維持することができない。すなわち、通常のＰ制御では、非線形結晶２４等の制御対象物に対して平均的に出力を掛け続けなければいけないような状況下において、制御対象物を設定値に正確に制御することができない。

一方、一点鎖線に示すように、オフセット項が追加されたＰ制御関数では、オフセット項によって、制御値Ｕ（ｔ）が通常のＰ制御関数に比べて冷却側又は加熱側にずれる（オフセットされる）。この場合、偏差ｅ（ｔ）が０となっても、制御値Ｕ（ｔ）が０にはならず、非線形結晶２４等の制御対象物に対して平均的に出力が掛け続けられることになる。

具体的には、非線形結晶２４のように発熱し続けるような物体が制御対象物である場合、オフセット項によって、制御値Ｕ（ｔ）が冷却側（図６の上側）にずれる。これにより、偏差ｅ（ｔ）が０となっても、非線形結晶２４が所定の温度で冷却されるので、発熱し続ける非線形結晶２４を適切に設定温度Ｔｓｅｔに維持することができる。

逆に、制御対象物を加熱し続けなければいけないような状況下では、オフセット項によって、制御値Ｕ（ｔ）が加熱側（図６の下側）にずれる。これにより、偏差ｅ（ｔ）が０となっても、制御対象物が所定の温度で加熱されるので、制御対象物を適切に設定温度Ｔｓｅｔに維持することができる。

すなわち、本技術に係るオフセット項は、制御対象物の温度を設定温度Ｔｓｅｔに維持するために平均的に出力を掛けつづければならない状況下において、どの程度の平均的出力を掛け続ければよいかを表す値としての意義を有している。微調整を行いながらこのオフセット項における平均的出力を正確に求めるための処理が、図４及び図５を参照して説明した処理である。また、オフセット項（平均的出力）を数式的に表現したものが上記式２である。

上記式２を参照して、ＰＩＤＯ制御関数における右辺にオフセット項が追加されていることによって、制御値Ｕ（ｔ）に対して変化が遅い定数項が付いた状態となる。このため、ＰＩＤＯ制御では、オフセット項によって表現される平均的出力を中心としてＰＩＤ制御が行われるような状態となる（図６参照）。

このオフセット項を前提として、定常状態で用いられるＰＩＤＯ制御関数の比例係数Ｋｐ、積分係数Ｋｉ、微分係数Ｋｐを求めると、定常状態での温度の推移におけるリプルを緩やかにすることが可能な比例係数Ｋｐ、積分係数Ｋｉ、微分係数Ｋｐを求めることができる。

一方、オフセット項を含まない通常のＰＩＤ制御関数では、定常状態での温度の推移におけるリプルを緩やかにするような比例係数Ｋｐ、積分係数Ｋｉ、微分係数Ｋｐを求めることは非常に困難である。通常のＰＩＤ制御では、定常状態で偏差が０である場合に原則的にＰＩＤ制御関数の出力が０になるように動作するため、設定温度と環境温度との間に差がある場合に、制御対象物の温度が環境温度に引っ張られて制御対象物の温度が平均的に環境温度側に偏り、制御による低周波リプルが発生してしまう場合がある（制御対象物が発熱し続けたりする場合も同様）。従って、ＰＩＤ制御は、非線形結晶２４などの高精度な制御が必要な制御対象物の温度を制御するための処理としては不十分である。

これに対して、本実施形態におけるＰＩＤＯ制御関数では、上述のように、オフセット項が設けられているので、定常状態での温度の推移におけるリプルを緩やかにする比例係数Ｋｐ、積分係数Ｋｉ、微分係数Ｋｐを求めることができる。従って、本実施形態では、定常状態での温度の推移におけるリプルを低減することができるので、非線形結晶２４の温度を高精度に設定温度Ｔｓｅｔに維持することができる。

なお、本発明者らが、定常状態におけるＰＩＤＯ制御下での非線形結晶２４の温度を実際に測定したところ、設定温度Ｔｓｅｔ±０．０５℃の範囲で非線形結晶２４の温度を制御することができていることが分かった。

＜各種変形例＞
以上の説明では、一例として、温度が制御される制御対象物が非線形結晶２４である場合について説明した。一方、制御対象物は、非線形結晶２４に限られない。例えば、制御対象物は、光源、ミラー、レンズなどの他の光学素子であってもよい。

ここで、非線形結晶２４、光源、ミラー、レンズなどの各種の光学素子は、高精度な温度制御が求められる場合が多い。例えば、他の天体までの距離を測定する測定装置に内蔵されている各種の光学素子は、温度が少しずれただけでも測定精度が極端に低下してしまう場合があるため、高精度な温度制御が要求される。従って、このような高精度な温度制御が必要とされる各種の光学素子の温度を制御する装置として本技術を採用すると特にメリットがある。

温度制御は、制御対象物（例えば、光学素子）について個々に行われてもよいし、例えば、複数の制御対象物（例えば、光学素子）が一つの筐体内に収まっているような場合には、全体として温度制御が行われてもよい。

以上の説明では、本技術が温度制御に用いられる場合について説明した。一方、本技術は、温度制御に限られず、圧力制御、流量制御、速度制御、トルク制御等の他の制御に用いることもできる。

本技術は、以下の構成をとることもできる。
（１）比例係数と、予め設定されている設定値及び制御対象物を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、前記偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、前記偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、前記偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出し、前記第１の総和に基づいて、前記制御対象物を制御する制御部
を具備する制御装置。
（２） 上記（１）に記載の制御装置であって、
前記制御部は、前記第１の総和を算出し、前記第１の総和に基づいて、前記制御対象物を制御する第１のモードと、前記比例項、前記積分項及び前記微分項を含む３つの項の第２の総和を算出し、前記第２の総和に基づいて、前記制御対象物を制御する第２のモードとを切り換え可能である
制御装置。
（３） 上記（２）に記載の制御装置であって、
前記制御部は、前記測定値が前記設定値から所定の範囲内で推移しているとき、前記制御対象物を前記第１のモードで制御し、前記測定値が前記所定の範囲内で推移していないとき、前記制御対象物を前記第２のモードで制御する
制御装置。
（４） 上記（２）又は（３）に記載の制御装置であって、
前記オフセット値は、第１の積分範囲で前記偏差を積分した積分値がプラスであれば、プラス及びマイナスのうち一方の値となり、前記第１の積分範囲で前記偏差を積分した積分値がマイナスであれば、プラス及びマイナスのうち他方の値となる値を、第２の積分範囲で積分した値である
制御装置。
（５） 上記（４）に記載の制御装置であって、
前記第１の積分範囲は、現在時刻よりも所定時間前の時刻から現在時刻までの範囲である
制御装置。
（６） 上記（４）又は（５）に記載の制御装置であって、
前記第２の積分範囲は、前記第１のモードでの制御が開始されてから現在時刻までの範囲である
制御装置。
（７） 上記（１）〜（６）のうちいずれか１つに記載の制御装置であって、
前記オフセット値は、第１の積分範囲で前記偏差を積分した積分値がプラスであれば、プラス及びマイナスのうち一方の値となり、前記第１の積分範囲で前記偏差を積分した積分値がマイナスであれば、プラス及びマイナスのうち他方の値となる値を、第２の積分範囲で積分した値である
制御装置。
（８） 上記（１）〜（７）のうちいずれか１つに記載の制御装置であって、
前記制御部は、制御対象物の温度を制御する
制御装置。
（９） 上記（１）〜（８）のうちいずれか１つに記載の制御装置であって、
前記制御部は、前記制御対象物としての光学素子を制御する
制御装置。
（１０） 制御対象物と、
比例係数と、予め設定されている設定値及び制御対象物を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、前記偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、前記偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、前記偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出し、前記第１の総和に基づいて、前記制御対象物を制御する制御部と
を具備する制御装置。
（１１） 光学素子と、
比例係数と、予め設定されている設定値及び前記光学素子を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、前記偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、前記偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、前記偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出し、前記第１の総和に基づいて、前記光学素子を制御する制御部と
を具備する光学装置。
（１２） 比例係数と、予め設定されている設定値及び制御対象物を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、前記偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、前記偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、前記偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出し、
前記第１の総和に基づいて、前記制御対象物を制御する
制御方法。
（１３） コンピュータに、
比例係数と、予め設定されている設定値及び制御対象物を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、前記偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、前記偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、前記偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出するステップと、
前記第１の総和に基づいて、前記制御対象物を制御するステップと
を実行させるプログラム。

１０…半導体レーザ部
２０…波長変換共振部
２４…非線形結晶
３０…反射光検出部
４０…補正光学系
５０…温度調整機構
６０…制御装置
６１…制御部
１００…光源装置

Claims (13)

1. 比例係数と、予め設定されている設定値及び制御対象物を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、前記偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、前記偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、前記偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出し、前記第１の総和に基づいて、前記制御対象物を制御する制御部
   を具備する制御装置。
2. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記制御部は、前記第１の総和を算出し、前記第１の総和に基づいて、前記制御対象物を制御する第１のモードと、前記比例項、前記積分項及び前記微分項を含む３つの項の第２の総和を算出し、前記第２の総和に基づいて、前記制御対象物を制御する第２のモードとを切り換え可能である
   制御装置。
3. 請求項２に記載の制御装置であって、
   前記制御部は、前記測定値が前記設定値から所定の範囲内で推移しているとき、前記制御対象物を前記第１のモードで制御し、前記測定値が前記所定の範囲内で推移していないとき、前記制御対象物を前記第２のモードで制御する
   制御装置。
4. 請求項２に記載の制御装置であって、
   前記オフセット値は、第１の積分範囲で前記偏差を積分した積分値がプラスであれば、プラス及びマイナスのうち一方の値となり、前記第１の積分範囲で前記偏差を積分した積分値がマイナスであれば、プラス及びマイナスのうち他方の値となる値を、第２の積分範囲で積分した値である
   制御装置。
5. 請求項４に記載の制御装置であって、
   前記第１の積分範囲は、現在時刻よりも所定時間前の時刻から現在時刻までの範囲である
   制御装置。
6. 請求項４に記載の制御装置であって、
   前記第２の積分範囲は、前記第１のモードでの制御が開始されてから現在時刻までの範囲である
   制御装置。
7. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記オフセット値は、第１の積分範囲で前記偏差を積分した積分値がプラスであれば、プラス及びマイナスのうち一方の値となり、前記第１の積分範囲で前記偏差を積分した積分値がマイナスであれば、プラス及びマイナスのうち他方の値となる値を、第２の積分範囲で積分した値である
   制御装置。
8. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記制御部は、制御対象物の温度を制御する
   制御装置。
9. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記制御部は、前記制御対象物としての光学素子を制御する
   制御装置。
10. 制御対象物と、
    比例係数と、予め設定されている設定値及び制御対象物を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、前記偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、前記偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、前記偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出し、前記第１の総和に基づいて、前記制御対象物を制御する制御部と
    を具備する制御装置。
11. 光学素子と、
    比例係数と、予め設定されている設定値及び前記光学素子を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、前記偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、前記偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、前記偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出し、前記第１の総和に基づいて、前記光学素子を制御する制御部と
    を具備する光学装置。
12. 比例係数と、予め設定されている設定値及び制御対象物を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、前記偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、前記偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、前記偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出し、
    前記第１の総和に基づいて、前記制御対象物を制御する
    制御方法。
13. コンピュータに、
    比例係数と、予め設定されている設定値及び制御対象物を測定して得られる測定値の偏差との積である比例項と、積分係数と、前記偏差の積分値との積である積分項と、微分係数と、前記偏差の微分値との積である微分項と、オフセット係数と、前記偏差の積分値に基づいて得られるオフセット値との積であるオフセット項とを含む４つの項の第１の総和を算出するステップと、
    前記第１の総和に基づいて、前記制御対象物を制御するステップと
    を実行させるプログラム。

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