電子アプリケーションにおける光学センサーの役割

この記事では、光学センサーの動作原理、光学センサーの種類、光学センサーの選択に関する考慮事項、および主要なアプリケーションについて概説します。

光学センサーは、入射光線を検出して電気信号に変換するように設計された電子部品です。これらのコンポーネントは、センサーの種類に応じて、入射光の強度を測定し、統合された測定デバイスで読み取り可能な形式に変換するのに役立ちます。

この記事では、光学センサーの動作原理、光学センサーの種類、光学センサーの選択に関する考慮事項、および主要なアプリケーションについて概説します。

光学センサーの例。画像提供：ROHM

光学センサーのアプリケーション

光学センサーは、産業、消費者、ヘルスケア、および自動車の分野で利用される電子デバイスおよび機器の至る所に存在するコンポーネントです。

医療およびヘルスケア

世界的大流行による非接触センシングの前例のないニーズにより、健康と安全のコンプライアンスを確保するために、光学センサーが長期医療施設の消毒剤ディスペンサーに利用されてきました。

その他の医療アプリケーションには、呼吸分析および心拍数モニタリング用の生物医学装置が含まれます。呼吸分析は、調整可能なダイオードレーザーを使用して行うことができますが、皮膚を介してセンサーに戻る光の反射は、フォトプレチスモグラフィーとして知られるプロセスで人間の心拍数を正確に監視できます。ポータブルウェアラブルセンサーは、ユーザーの健康状態とバイタルサインの自動追跡と手動追跡の両方に光学センサーを利用します。

産業/商業

産業用および商用アプリケーションでは、光学センサーは、インダストリー4.0アプリケーションの距離および温度の検知と自動化にも使用されています。たとえば、光学センサーは、赤外線LED、光トランジスタ、および透明なプリズムチップを統合することにより、タンクファームや炭化水素精製所の石油レベルなどのプロセスエンジニアリング施設の液体レベルを検出できます。

光学センサーはまた、工場の床にあるコンポーネントの存在を検出することにより、自動制御を可能にします。

家庭用電化製品

光学センサーは、スマートフォンなどの家電製品の周囲光検知にも使用されており、バッテリー寿命の延長や、環境内の照明の量に合わせて画面の明るさを最適化するなどの利点があります。

以下の回路図（図1）は、マイクロコントローラーと自動発光制御を備えたLEDドライバーICを統合して、周囲光の量に比例した出力電流を実現し、人間の目のスペクトル感度を模倣します。

図1.環境光センサーのICブロック図。画像提供：ROHM

フォトインタラプタと反射型フォトセンサーは、プリンターの光センシングや、産業用および小売用の3Dスキャナーに使用されます。光学センサーは、侵入者を検出するために商業ビルや住宅の監視機器にも使用されています。

光学センサーの種類

最も一般的なタイプの光学センサーは次のとおりです。

• 送信タイプのフォトインタラプタ 光を遮ることで物体の存在を検出し、位置検知や回転速度測定などのアプリケーションで広く利用されています
• 反射型フォトセンサー オブジェクト全体の光の反射を測定することにより、オブジェクトの動きを検出します
• 光伝導デバイス 入射光線を吸収することで導電性になります
• フォトダイオード 入射光を電流に変換する
• フォトトランジスタ ベース-コレクタ接合が光にさらされたときにフォトダイオードと同様の結果を達成します

光学センサーの操作

光センシング技術が効果的に機能するには、単色でコンパクトで信頼性の高い光源が必要です。光学センサー照明に適した一般的な光源には、LEDとレーザーが含まれます。

発光ダイオード（LED）は、電子がnドープおよびpドープの半導体の接合部で正孔と結合して光子の放出を助けるときに光を生成します。一方、レーザーは、ガラスや結晶などの特定の材料の原子内の電子の電気的励起によって生成されます。

図2.光近接センサーのブロック図。画像提供：ROHM

ただし、さまざまなタイプの光学センサーの動作は少し異なります。

出力段ベースのフォトトランジスタがフォトインタラプタで駆動できる最大電流は、受け取る光の量によって異なります。フォトトランジスタに光が当たると（つまり、ギャップに物体がない場合）、フォトインタラプタはLOW出力を示します。

図3.フォトインタラプタの構造。画像提供：ROHM

逆に、フォトインタラプタは、オブジェクトが存在する場合に高出力を示します。エンジニアは、出力をマイクロコントローラーまたは光学制御用のロジックデバイスに接続することにより、フォトインタラプタの機能を利用できます。

設計上の考慮事項

応答時間、コスト、サイズ、および感度は、光学センサーを設計に統合しようとしているエンジニアにとって重要な考慮事項です。

応答時間とは、光学センサーが入射光に応答するのにかかる時間を指し、いくつかのアプリケーションで重要です。通常、応答時間が速いほど、光学センシングの効率が高くなります。多くの光学センサー（図4）は、応答時間測定回路を設計に組み込んで、遅延、立ち上がり、および立ち下がり時間の機能を考慮しています。