光センサー完全ガイド：仕組み、種類、実用的な用途

一般的に、光センサーは光エネルギーを電気エネルギーに変換し、スマートデバイス、農業、セキュリティなど多くの分野で応用されています。

本記事では、様々な種類の光センサーとその動作原理について解説します。

光センサーとは

光センサーは、光子（赤外線や可視光などの光エネルギー）を電気信号（電子）に変換する受動型光電デバイスです。

電気信号出力は、光スペクトル範囲の放射エネルギーを測定した後の光強度を示すことが多いです。

光センサーの動作原理

すべての光センサータイプの動作原理は、入力光エネルギーに応じて電圧/電流を生成することです。ただし、動作モードはそれぞれ異なります。

それでは、特定の光センサーにおける様々な動作原理を見ていきましょう。

光センサーの種類

主な種類は以下の通りです。

フォトレジスタ（LDR）

（フォトレジスタ）

光依存抵抗（LDR）（フォトレジスタ）は、光センサー回路で主要な光センサーとして使用されます。

フォトレジスタを構成するコンポーネントは硫化カドミウムセルで、高抵抗の光伝導材料です。また、これらのセルは近赤外線と可視光に高感度です。

動作原理

フォトレジスタは通常の抵抗と同様に動作することが多いですが、フォトレジスタの電気抵抗変化は、露光量に依存します。

したがって：

光源からの光強度が低い場合、硫化カドミウムセル間の抵抗は高くなる。逆もまた然り。

この原理は街路灯などの用途でよく見られます。昼間は光強度が高いため抵抗が低くなり、ライトが点灯しません。

フォトダイオード

（フォトダイオード）

フォトダイオードまたはフォトセンサーは、2番目の光センサータイプです。

抵抗変化で動作するフォトレジスタとは異なり、フォトダイオードは光に複雑に適応します。光レベルを電流の流れに変換します。

フォトダイオードはゲルマニウムとシリコン材料で製造され、表面積、内蔵レンズ、光学フィルターを備えています。

動作原理

光ビームがフォトダイオードに当たると電子が放出され、電子正孔対が形成されて電流が流れます。

注：電流は光の明るさに直接比例します。したがって、より明るい光はより強い電流を生み出します。

用途

動作原理上、高速な光応答変化を必要とする用途に最適です。

例：

医療用途：分析装置、測定機器
家電製品：煙検知器、CDプレーヤー
太陽エネルギーシステム：多結晶シリコン太陽電池を用いたソーラーパネル（家庭用・道路標識用）

フォトトランジスタ

（電圧フォトトランジスタ）

理想的には、フォトトランジスタは電流増幅機能を持つフォトダイオードとアンプの組み合わせです。アンプは、大きな電気的に非接続のベース領域を持つバイポーラNPNトランジスタです。一部は光感度調整用に電気接続を持つ場合もあります。また、ほとんどのフォトトランジスタの外装はクリアレンズまたは透明で、ベース接合部に光を集中させます。

追加の増幅により、フォトトランジスタの光感度は高くなります（フォトダイオードの50〜100倍）。しかし、微弱光への感度はフォトダイオードに劣ります。

動作原理はフォトダイオードと類似しています。

用途： TVリモコン、光ビームセンサー、オプトアイソレータ