光学センサーとは
光学センサーとは、光や光の強さの変化などを検出し、データ変換し出力する装置です。
太陽光など目に見える可視光や可視光よりも波長の長い赤外線、逆に波長の短い紫外線を検出してデータに変換し、出力します。なお、光センサーと称されることもあります。
光学センサーの使用用途
光学センサーの使用用途は、非常に幅広いです。例えば、身近な用途として、デジタルカメラの画像データを取得のための受光装置や防犯カメラ、エアコンのスイッチ、自動ドアのセンサーなどが挙げられます。
最も単純な構造の光学センサーは、自動ドアなどに使用される人感センサーです。照射した光を受ける際に、その強度などから人による遮断があるかどうかを判断しており、この判断に基づいてドアを開閉しています。
一方、デジタルカメラなどに使用される光学センサーは非常に高度です。受けた光を電気信号として出力し、データを取得します。また、防犯カメラは、暗闇での使用を想定したもので、赤外線を検知できる利点を活かした応用例です。
光学センサーの原理
光学センサーは、光電効果と呼ばれる現象を利用した装置です。光電効果とは、物質に向けて光を照射すると、光と電子の相互作用により、エネルギーが電子に加わり物質の表面から電子が放出される現象です。
光学センサーには、光を放出する投光部と対象物質を介した光を受け取る受光部があります。投光部から放出された光が対象物質により、反射もしくは阻止された場合、受光部に届く光量が変わります。受ける光の変化を検出し、電気信号として出力するのがおおまかな原理です。
なお、光学センサーは光の検出方式の違いにより、「透過型」と「反射型」の2種類に分けられます。
1. 透過型光学センサー
透過型光学センサーは、投光部と向き合う形で受光部が設置された構造です。投稿部と受光部の間に対象物質が入ると光が遮られるため、検出される光に変化が生じます。これを利用してデータ出力しています。
例えば、投光部が赤外線LED、受光部がフォトダイオードであるものなどが代表的で、投光部からの光を対象物質が阻止する具合を受光部が変化として検出し、人や物質が通過したかどうかが確認できます。
2. 反射型光学センサー
反射型光学センサーは、投光部および受光部が一体になった構造です。対象物質に光を照射し、受光部により反射光を受け取って光の変化を検出しています。
光学センサーの特徴
光学センサーには以下のような特徴があります。
1. 離れていても検出が可能
磁気や超音波を利用した場合は、検出できない長距離での検出が可能です。透過型の光学センサーには、10m以上離れていても検出可能なものがあります。
2. 様々な対象物質に対応可能
対象物質に起因する光の遮断および反射による光の有無や変化を検出するため、ガラスやプラスチックおよび木材などの固体から液体まで、ほとんどの物質を検出できます。
3. 速い応答が可能
光自体の速度が速いこと、センサーの回路がすべて電子部品により構成されているため、機械的な動作がありません。このことから、短い時間での応答が可能です。
4. 高い分解能を達成可能
投光部からの光のサイズを小さくする、受光側の光学系を目的に応じて設計するのも可能です。そのため、高分解能を実現できます。分解能が高い装置では、微小物体の検出ができ、高精度の位置検出も可能となります。
5. 非接触での検出が可能
検出物体に光を照射するため、物質に非接触で物質の状態を検出できます。接触しないことから、対象物質および光学センサーが傷ついたり破損したりしません。したがって、当該装置の製品寿命は長いものとなります。
6. 色の判別が可能
検出物質の光の反射率や吸収率は、投光部からの光の波長と検出物質の色の組み合わせによって変わります。この性質を利用すれば、検出物質の色の判別もできます。
7. 容易に調節可能
投光部から可視光を照射する装置では、光を目視可能なため、検出物質との位置合わせも容易です。
光学センサーのその他情報
光学センサーを使用したマウス
光学式マウスは、手軽な価格で購入ができることに加えて、使用する際にドライバが必要ありません。そのたmえ、レーザ式やブルーLEDおよびIRセンサーなどの他のマウスよりも手軽に使用できるのがメリットです。
しかし、光沢素材上や規則的なパターンでの認識能力が下がりうまく動作しないというデメリットがあります。
参考文献
https://www.sensor-sk.com/hikari/hika01_hikari.html
https://www.klv.co.jp/iot/iot-optical-sensor.html
https://www.eorc.jaxa.jp/rs_knowledge/mecha_sensortype.html
https://www.fa.omron.co.jp/guide/technicalguide/43/2/index.html
https://annex.jsap.or.jp/photonics/kogaku/public/35-09-kaisetsu4.pdf
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https://www.sanwa.co.jp/product/input/mouse/info.html