照度・光センサー

概要

照度・光センサーは、光（可視光・赤外線・紫外線など）の強度を電気信号に変換するセンサーです。検出する光の種類と用途によって様々な種類があります。

照度センサー（Ambient Light Sensor: ALS）: 人間の視覚特性（比視感度）に近い波長特性を持ち、lux（ルクス）単位で照度を計測。スマートフォンの画面輝度自動調整やビル照明制御に使用。
フォトレジスタ（CdS）: 光が当たると電気抵抗が変化する素子。安価だが応答が遅く、有害物質（カドミウム）の問題もある旧世代デバイス。
フォトダイオード: 逆バイアス状態でフォトンが電子・正孔対を生成、電流を発生。高速・高感度だがノイズが少なく、精密計測や近接センサーに使用。
フォトトランジスタ: フォトダイオード＋増幅効果。高感度だが応答速度は低い。
カラーセンサー: RGBまたは複数波長の光強度を個別計測。色識別に使用。

組み込みシステムではI2C接続のデジタル照度センサーIC（BH1750、VEML7700、TSL2591等）が広く使われ、16bitデジタル値でlux値を直接出力します。

歴史・背景

光の電気変換（光電効果）の発見は1887年にハインリヒ・ヘルツが光電効果を実験で観察したことに始まり、1905年にアインシュタインが光量子仮説により説明し、ノーベル賞を受賞しました（1921年）。

最初の実用的な光センサーは1930〜40年代のセレン光電池で、露出計（写真）やオルゴールの光学読み取りに使われました。半導体フォトダイオードは1940〜50年代に開発され、1970年代以降の半導体プロセスの発展で小型・高精度化が進みました。

照度センサーICの普及は2000年代のスマートフォン向けに加速しました。液晶ディスプレイの自動輝度調整に照度センサーが搭載され、省電力化に貢献するとともに、デジタルI2C出力センサーの廉価化が進みました。

技術仕様

代表的な照度センサーの比較

センサー	ダイナミックレンジ	分解能	インターフェース	備考
フォトレジスタ（CdS）	1〜100,000lux	低い	アナログ（抵抗変化）	安価・応答遅い
TEMT6000	1〜1000lux	中	アナログ（電流）	人間の比視感度近似
BH1750	1〜65535lux	1lux	I2C（16bit）	定番・安価
VEML7700	0〜120,000lux	0.0036lux	I2C	広ダイナミックレンジ
TSL2591	188μlux〜88,000lux	非常に高い	I2C	高感度（暗所〜明所）
OPT3001	0.01〜83,865lux	0.01lux	I2C	TI製・低消費電力

照度の定義と単位

照度（illuminance）とは、単位面積に入射する光束（光のエネルギー流量を人間の視感度で重み付けしたもの）です。

環境	照度の目安
直射日光	100,000 lux
曇天の屋外	10,000 lux
屋内（明るいオフィス）	500〜1000 lux
屋内（リビング）	100〜500 lux
廊下・通路	50〜200 lux
夜間（満月）	0.1〜1 lux
夜間（街灯のみ）	1〜10 lux

比視感度（人間の目の特性）

人間の目は緑色（550nm付近）に最も感度が高く、赤や青では感度が落ちます。照度センサーICは内部フィルターで人間の比視感度に近似した特性を持たせています。

標準比視感度 V(λ):
400nm（紫）: 0.0004
450nm（青）: 0.038
550nm（緑）: 1.000（最大）
600nm（橙）: 0.631
700nm（赤）: 0.004

動作原理

フォトダイオードの動作原理

フォトダイオードはpn接合に逆バイアスをかけた状態で、光フォトンが電子・正孔対を生成し、電流（光電流）として流れ出る原理を利用します。

光電流 I_ph ∝ 照度 E [lux]

暗電流 I_dark: 完全遮光時にも流れるリーク電流（ノイズ下限）

S/N比:
SNR = I_ph / √(2q × I_dark × BW)
（q: 電子電荷, BW: 帯域幅）

BH1750（デジタル照度センサーIC）の仕組み

BH1750内部にはフォトダイオード・電流増幅回路・ADC・16bitレジスタが集積されています。測定モードにより測定時間（120ms/60ms/16ms）と分解能（1lux/0.5lux/4lux）が変わります。

BH1750 出力値 → lux変換:
lux = Raw_data / 1.2 × (1 / MTreg_factor)

MTreg: 測定時間レジスタ（デフォルト 69）
MTreg_factor = MTreg / 69

用途・ユースケース

スマートフォン・PC 画面輝度自動調整

環境光に応じてディスプレイの輝度を自動調整します。暗い場所では輝度を下げて目の疲れを軽減し、電池消費を抑えます。明るい屋外では輝度を上げて視認性を確保します。

街灯・照明自動制御

照度センサーで周囲の明るさを検知し、夕方に自動点灯・夜明けに自動消灯します。PWM制御と組み合わせて、外部の明るさに反比例した輝度で照明を調整する「照度一定制御」にも使われます。

スマートホーム・カーテン自動制御

窓際の照度センサーで日差しを検知し、電動カーテン・ブラインドを自動制御します。急な曇りや日没にも対応した快適な室内環境を自動維持します。

工場・農業の日照量モニタリング

植物工場・温室での照度計測で、植物の光合成に必要な光量（PPFD：光合成有効放射束密度）を管理します。屋外農業では日積算日射量を計測して気象ロガーに記録します。

近接センサー（スマートフォン耳元検知）

スマートフォンで通話中に耳に近づけると画面をOFFにする機能は、近接センサー（赤外線LED＋フォトダイオード）で実現されています。IR LEDが発した赤外線が皮膚や物体で反射し、フォトダイオードで受信量を検出します。

紙の有無・色の検知（センサーとしての組み込み応用）

プリンターの紙詰まり検出、工場の製品有無確認、仕分けラインでの色識別など。フォトインタラプタ（発光部と受光部が対向した構造）は物体の通過検知に使われます。

実装・開発のポイント

BH1750 の I2C 読み取り

#include "i2c_hal.h"
#include <stdint.h>

#define BH1750_ADDR      0x23  // ADDR=L の場合（0x5C はADDR=H）
#define BH1750_POWER_ON  0x01
#define BH1750_RESET     0x07
// 動作モード
#define BH1750_CONT_H_RES   0x10  // 連続高分解能(1lux, 120ms)
#define BH1750_CONT_H_RES2  0x11  // 連続高分解能2(0.5lux, 120ms)
#define BH1750_CONT_L_RES   0x13  // 連続低分解能(4lux, 16ms)

void bh1750_init(void) {
    uint8_t cmd;
    cmd = BH1750_POWER_ON;
    i2c_write(BH1750_ADDR, &cmd, 1);
    cmd = BH1750_CONT_H_RES;
    i2c_write(BH1750_ADDR, &cmd, 1);
    HAL_Delay(180);  // 最初の計測完了まで待機（120ms + マージン）
}

float bh1750_read_lux(void) {
    uint8_t buf[2];
    if (i2c_read(BH1750_ADDR, buf, 2) != 0) return -1.0f;
    
    uint16_t raw = (uint16_t)(buf[0] << 8 | buf[1]);
    return raw / 1.2f;  // lux変換（H_RESモード時）
}

フォトレジスタ（CdS）の読み取りと変換

// フォトレジスタ（CdS）+ 分圧回路でのアナログ照度計測
// 回路: VCC ─[10kΩ固定抵抗]─[ADC入力]─[CdSフォトレジスタ]─ GND
// 明るいとCdS抵抗小→ADC電圧小, 暗いとCdS抵抗大→ADC電圧大

#define FIXED_R 10000.0f  // 固定抵抗値 [Ω]
#define VCC     3.3f

float adc_to_cds_resistance(uint16_t adc_raw) {
    // 12bit ADC, VCC=3.3V
    float v_adc = adc_raw * VCC / 4095.0f;
    if (v_adc < 0.01f) return 1e9f;  // ほぼゼロ（完全に明るい）
    return FIXED_R * (VCC - v_adc) / v_adc;  // CdS抵抗値 [Ω]
}

// CdSの抵抗値は照度の対数に反比例する特性がある（製品により異なる）
// 正確な変換には実測キャリブレーションが必要
float cds_resistance_to_lux_approx(float resistance) {
    // 近似式: lux ≈ A × R^B （A, Bはセンサー特性値）
    // 例: A=10000, B=-0.7 (製品によって大きく異なる)
    return 10000.0f * powf(resistance, -0.7f);
}

デジタルフィルタと自動露出（ALS制御）

照度センサーは環境変化が急激（フラッシュ等）でもロバストな読み取りが必要です。

class AutoLightSensor:
    """自動ゲイン切替付き照度センサードライバ"""
    
    GAIN_LOW  = 1    # 低ゲイン（明るい環境向け）
    GAIN_HIGH = 16   # 高ゲイン（暗い環境向け）
    
    def __init__(self, sensor):
        self.sensor = sensor
        self.gain = self.GAIN_LOW
    
    def read_lux(self):
        raw = self.sensor.read_raw()
        
        # ゲイン自動切替（飽和・アンダー判定）
        if raw > 60000 and self.gain == self.GAIN_HIGH:
            self.sensor.set_gain(self.GAIN_LOW)
            self.gain = self.GAIN_LOW
            return None  # 次回計測で正確な値
        elif raw < 100 and self.gain == self.GAIN_LOW:
            self.sensor.set_gain(self.GAIN_HIGH)
            self.gain = self.GAIN_HIGH
            return None
        
        lux = raw / self.gain / 1.2
        return lux

他技術との比較

照度センサー方式の比較

方式	原理	感度	応答速度	コスト	主な用途
フォトレジスタ（CdS）	光伝導効果	中	遅い（ms〜秒）	非常に安価	簡易光検知
フォトダイオード	pn接合光電流	高	高速（ns〜μs）	安価〜中	精密計測・近接
フォトトランジスタ	光増幅トランジスタ	非常に高い	中（μs〜ms）	安価	照度計・センサー
デジタルALSチップ	フォトダイオード＋IC	高・人眼近似	中（ms）	中	自動輝度・IoT
カラーセンサー	RGB複数フォトダイオード	中	中	中	色識別

フォトダイオード vs フォトトランジスタ

比較項目	フォトダイオード	フォトトランジスタ
感度	低い（電流微小）	高い（内部増幅あり）
応答速度	高速（ns〜ns）	低速（μs〜ms）
線形性	優秀	やや非線形
回路複雑さ	増幅回路が別途必要	簡単（コレクタ抵抗のみ）
ノイズ	少ない	多い（増幅でノイズも増大）
用途	精密計測・高速通信（光ファイバー）	照度計・リモコン受信

概要