光センサー。単位、用途、および仕組み

光センサは非常にシンプルに見えます。温度計が温度を感知し、速度計が速度を感知するのと同じように、光を感知するのです。温度と速度は、私たちがわかりやすい方法で感知しているので、理解するのは簡単です。しかし、光は非常に複雑です。温度や速度は集約的な性質なので、物体の質量や大きさには依存しません。光は、広範な特性として測定することができます。つまり、集めた光の総量は集光器のサイズに依存し（たとえば、埋立地のソーラーアレイは小さなソーラー電話充電器よりも光を集める）、面積で割ることによって集中的に測定することも可能です。フォトン? エネルギー？複雑ですね。

Light Sensor Units

光センサーを正しく理解し、応用する前に、光を定量化できるようになる必要があるのです。残念ながら、光の測定には奇妙な単位が使用されます。たとえば、電球は通常ルーメンで評価されますが、光センサーは通常ルクスで測定されます。さらに、ルーメンとルクスはどちらもカンデラと呼ばれる難解な基本単位に基づいています。

The Candela

この単位は、光度、つまり人間の目に見える光の強さを表すために使用されます。人間の目の感度に基づき、光線の各波長に重みをつけるSI公認の計算式に基づいています。光度が高いほど、人間の目はその光に対して敏感である。 (カンデラとは「ろうそく」のことで、通常のろうそくの光度はおよそ1カンデラです。賢いでしょう?）電球と懐中電灯の比較に燭台が使われないのは、光線の強さは電球の出力だけでなく、その出力が特定の方向にどれだけ集中しているかにも依存するからです。多くの懐中電灯は、電球の後ろに鏡を使って出力方向に光を集中させているため、より明るく見えます。つまり、同じ電力で同じ光量を出しながら、ある方向への強度を高めているのです。

Lumen

ルーメンは、電球の全光束を測定するために使用されます。これは、光度（カンデラ単位）とビームが満たす立体角（ステラジアン単位）の積である。全方向を照らす電球の光度は10カンデラで、これに4πステラジアンをかけた光束は126ルーメンとなる。懐中電灯の中のように、電球の片側に鏡があると、電球の出力の半分が反射して、もう片側がより明るく見える。光の強さは2倍の20カンデラになるが、立体角は半分の2πステラジアンになる。鏡の反対側の光の強さと新しい立体角を掛け合わせても、光束は126ルーメンになる。この電球は、光をどのように反射、集光しても、常に126ルーメンの光束を発生します。

Lux

電球がルーメンで評価されているなら、なぜ光センサーは別の単位を使う必要があるのでしょうか。音楽家がコンサートで目をつぶらないのはそのせいだ。ドレイクの目から1インチ離れた場所で懐中電灯を1つ照らすと眩しく感じるかもしれませんが、ステージに向けられた携帯電話の懐中電灯の海は、まったく明るくありません。携帯電話から離れると光が散乱するため、ステージ上の彼の目にはわずかな光しか当たらないのです。また、光源から遠ざかると、物体が受ける光の割合も少なくなる。ある面で知覚される光束を照度と呼び、これを正しく測定するために、1平方メートルあたり1ルーメンに相当するルクスという単位が使われる。光源から同じ距離で、1平方メートルのシートと10平方メートルのシートが同じ照度にさらされる。光束をルーメンで測ると、大きい方のシートは10倍の光を集めるが、面積は同じなので照度は同じである。光源に向かってシートを移動させると、それぞれのシートが占める立体角が大きくなるので、照度も大きくなる。光の強さは一定で、シートの面積も一定だが、立体角が大きくなるため、受ける照度が大きくなるのである。

光センサの用途

位置検出

光センサは照度を測定するが、これは光源の明るさ以上の測定に使用することができる。照度はセンサーが安定した光から離れると低下するため、光源からの相対距離を測定するために光センサーを使用できます。

図 1: 照度 vs 距離を示すグラフ

光センサーはほとんどの場合平らな一面で、光源から見たセンサーが占める立体角はその向きによって変化する可能性があります。光センサーが光の方向に対して垂直な場合、可能な限り大きな立体角を占有しています。光センサーが光源から遠ざかるにつれて立体角が小さくなり、その分照度も小さくなり、最終的には光ビームと平行に、あるいは反対側を向いたときに直接照度を検出しないようになります。

図2: 照度対角度のグラフ

Brightness Control

光センサーには、さまざまな用途がある。日常生活で最もよく使われているのは、携帯電話やタブレット端末です。現在、ほとんどの携帯用パーソナル電子機器には、明るさを調整するために使用される環境光センサーが搭載されています。

光センサーのもうひとつの一般的な用途は、自動車や街灯の自動点灯を制御することです。外が暗くなったときに光センサーを使って電球を点灯させれば、ライトを点灯させるわずかな手間も省けますし、太陽が十分に明るい日中は電力を節約できます。

セキュリティ

ただし、消費者の便利さ以外にも多くの使い道があります。コンテナや部屋への侵入を検知することは、重要なセキュリティ用途です。高価な貨物を輸送する場合、コンテナがいつ開けられたかを知ることは、製品の紛失のケースを解決するために重要なことである。安価なフォトレジスターを使用して、コンテナが開けられるたびにログを取り、どの時点で泥棒がコンテナを荒らしたのか、あるいは送り主が不正をしてコンテナが荒らされたに違いないと主張したのかを判断することが可能です。たとえば、紙に描かれた絵画や写真、古い美術品などは、太陽光にさらされることで破損することがあるため、どれくらいの光にさらされているかを知ることが重要です。

企画

美術品を定位置に据える際にも、光センサーを利用することができます。美術館の入り口や窓の近くは、特定の素材には日光が強すぎる可能性があるので、光センサーを使ってアートを適切に配置することができます。これは、住宅や畑にソーラーアレイを設置するのと同じような方法です。ある場所にソーラーパネルを設置しても、直射日光があまり当たらないのであれば意味がありませんから、光センサーを使って直射日光が最も強く当たる場所を探します。 (先ほど述べたように、ソーラーパネルは非常に大きな光センサーにすぎませんが、パネルそのものを使うよりも、携帯機器を使って太陽光をテストする方が簡単です。)

Agriculture

太陽光は農業、特に水不足のアメリカ西部において重要な意味を持っています。作物によって必要な日光の量は異なるため、どの区画が最も日光に恵まれているかを知ることは重要です。ユタ州などでは水の供給がより厳しくなっているため、農家は水の消費を抑えつつ、作物の水分を保つという経済的・社会的な義務を負っている。土や植物が水を吸収する前に、暑い日差しで水分が蒸発してしまうのを防ぐため、午後や夕方に作物に水をやるという方法が採用されています。光センサーを使ってスプリンクラーを自動制御し、太陽が最も輝いていない時間帯に水やりをすることができます。他の気象観測装置と組み合わせて、温度、気圧、湿度に関するデータを収集すれば、太陽が暗いときに水を撒くだけでなく、雨や雲が近づいていることを知能的に検知して、散水スケジュールを最適化することができる。

光センサーの仕組み

光を定量化する単位の混乱を理解したところで、光センサーを使って照度を決定する方法を理解することにします。フォトダイオードに光が当たると、電子が抜けて電流が流れる性質がある。光が明るいほど、電流は強くなる。この電流を測定することで、光の照度を返すことができる。道路標識や家庭用電源に使われているソーラーパネルの動作原理は、この光誘起電流に由来しているのです。

フォトレジスタ

もう一つの光センサは、フォトレジスタです。光に依存する抵抗器であり、照射される光の明るさが変わると抵抗値が変化する。フォトダイオードに比べ安価ですが、精度が低いため、相対的な光量の比較や、単純に照明が点灯しているか消灯しているかの比較に使われることがほとんどです。

Available light sensors

前述のように、光センサー (フォトレジスタとフォトダイオード) は汎用性があり、超高価ではないので、基本的なコンポーネントから高精度のデータロガーまで、さまざまなオプションが存在します。これらのプラットフォームを使用して照度を測定することは、プログラミングやコンピュータとのインターフェイスが簡単で、フォトレジスタが非常に手頃な価格であるため、有用である。さらに、光センサーを他のデータ収集ハードウェアと組み合わせて使用することも可能です。しかし、このようなシステムは、あまり正確でもなく、ユーザーフレンドリーでもないでしょう。

Amazon には、一般的に写真撮影に使用される民生用光量計がたくさんあります。それらはすべてコンパクトで使いやすく、データはリアルタイムで画面に表示され、数ヘルツの適度なリフレッシュレートを備えています。これらは、屋内の部屋の相対的な明るさを比較するのに最適なものでしょうが、ほとんどのものは範囲が広いので、屋外での使用も可能です。

実は、enDAQセンサーの一部として、光センサーを販売しています。これはSi1133フォトダイオードを使用しており、加速度、温度、圧力のデータとともに照度データをデバイスに記録します。照度はカンデラを基本単位とするため、可視光以外の電磁波を考慮して測定値を調整する必要があります。 Si1133では、赤外線を別途測定し、照度データを適切に調整することで、これを実現している。 enDAQセンサーの光センサーは、可視光に加えて紫外線の指標も測定しています

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