一、引言

光傳感器（Light Sensor） 是一種將光能（通常是可見光或紅外光）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能器。
在電子系統(tǒng)中，它們用作輸入設(shè)備，用以檢測(cè)環(huán)境亮度、光強(qiáng)或光照變化，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制或信號(hào)響應(yīng)。

典型應(yīng)用包括：

• 自動(dòng)照明系統(tǒng)與街燈控制；

• 攝像頭曝光調(diào)節(jié)；

• 工業(yè)檢測(cè)與安全報(bào)警；

• 智能家居與光能采集系統(tǒng)。

光傳感器按工作原理可分為兩大類：

1. 光電導(dǎo)型（Photoconductive） —— 光照改變?cè)碾娮杌螂妼?dǎo)；

2. 光電生伏型（Photovoltaic / Photoemissive） —— 光照直接產(chǎn)生電壓或電流。

二、光敏電阻與光電導(dǎo)元件（LDR: Light Dependent Resistor）

(1) 基本原理

光敏電阻（Light Dependent Resistor, LDR） 又稱為光電導(dǎo)元件（Photoconductor），是一種電阻值隨光照強(qiáng)度而變化的器件。
在無光條件下，其電阻很高（兆歐級(jí)）；當(dāng)被光照射時(shí)，電阻迅速下降至幾百歐姆或更低。

這種現(xiàn)象源自光電導(dǎo)效應(yīng)：
當(dāng)光子照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，光能激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而增加自由載流子數(shù)量，使電導(dǎo)率提高。

LDR 的電阻與光強(qiáng) $I$ 之間關(guān)系通常為：

R=K×I?αR = K times I^{-alpha}R=K×I?α

其中 α 為材料常數(shù)（典型值 0.7～0.9）。

(2) 材料與結(jié)構(gòu)

常用材料包括硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）或硫化鉛（PbS）。
LDR 通常制成蛇形電阻膜，裝于透明玻璃封裝內(nèi)以便光照入射。

(3) 典型特性

• 光照強(qiáng)時(shí)：電阻可降至數(shù)百歐姆；

• 黑暗中：電阻可高達(dá) 1MΩ；

• 響應(yīng)時(shí)間：10～100 ms；

• 工作溫度范圍：–30°C 至 +70°C。

(4) 應(yīng)用實(shí)例

• 自動(dòng)燈控系統(tǒng)；

• 光控報(bào)警器；

• 照度檢測(cè)；

• 相機(jī)曝光自動(dòng)調(diào)節(jié)。

三、光電池與光伏元件（Photovoltaic Cells）

光電池（Photocell）是一種能將光能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。
當(dāng)光線照射半導(dǎo)體結(jié)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)（Photovoltaic Effect），從而在電路中形成電流。

典型裝置包括：

• 太陽能電池（Solar Cell）；

• 硅光伏二極管（Silicon Photodiode）；

• 光照檢測(cè)用光伏探測(cè)器。

光電池的輸出電壓與光強(qiáng)近似成比例，但通常很小（數(shù)百毫伏），常需放大后使用。
其工作為“無源模式”，即無需外部電源即可輸出信號(hào)。

四、光電二極管（Photodiode）

光電二極管（Photodiode） 是基于 PN 結(jié)的光敏器件，在反向偏置下工作時(shí)，當(dāng)光照射到耗盡區(qū)，產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)被電場(chǎng)分離，從而形成光電流。

(1) 特點(diǎn)

• 響應(yīng)速度快（μs 級(jí)）；

• 線性好；

• 輸出電流與光照強(qiáng)度成正比；

• 光譜響應(yīng)范圍寬（紫外至近紅外）。

(2) 應(yīng)用

• 光通信與光纖系統(tǒng)；

• 激光測(cè)距；

• 紅外遙控接收；

• 醫(yī)療光學(xué)檢測(cè)。

光電二極管常與運(yùn)算放大器組成**跨阻放大器（Transimpedance Amplifier）**結(jié)構(gòu)，用于將微弱光電流轉(zhuǎn)換為可測(cè)電壓信號(hào)。

五、光晶體管（Phototransistor）

光晶體管（Phototransistor） 是在晶體管結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上去掉基極引腳，使光信號(hào)直接作用于 PN 結(jié)區(qū)域的光敏型放大器件。
當(dāng)光照產(chǎn)生的電子流經(jīng)基區(qū)時(shí)，相當(dāng)于輸入信號(hào)，從而控制更大電流的輸出。

特點(diǎn)

• 靈敏度比光電二極管高 50～100 倍；

• 響應(yīng)速度略慢；

• 可直接驅(qū)動(dòng)低功率負(fù)載；

• 輸出電流與光強(qiáng)呈指數(shù)關(guān)系。

應(yīng)用

• 光電開關(guān)與反射式傳感器；

• 編碼盤、測(cè)速器；

• 工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

六、光伏電池（Solar Cell）

太陽能電池是光電效應(yīng)的工程化應(yīng)用。
其結(jié)構(gòu)與光電二極管類似，但面積更大，用于能量轉(zhuǎn)換。

(1) 工作原理

光照在 PN 結(jié)上時(shí)，光子能量大于帶隙，會(huì)在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，被內(nèi)建電場(chǎng)分離，形成電流。
輸出特性近似為：

I=Iph?Is(eqVkT?1)I = I_{ph} - I_s (e^{frac{qV}{kT}} - 1)I=Iph?Is(ekTqV?1)

(2) 特征參數(shù)

太陽能電池除能源用途外，也廣泛用于光照檢測(cè)與自動(dòng)化光能控制電路中。

七、常見光傳感器類型比較

八、光傳感器信號(hào)調(diào)理與電路接口

1. 分壓電路：LDR 常與固定電阻組成分壓器，用于檢測(cè)亮度變化。

2. 放大器接口：光電二極管需經(jīng)跨阻放大器放大微安級(jí)信號(hào)。

3. 比較器與閾值控制：光控開關(guān)系統(tǒng)中用于檢測(cè)閾值點(diǎn)。

4. 模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）：將模擬光信號(hào)數(shù)字化供微控制器使用。

5. 濾波與遮光結(jié)構(gòu)：用于抑制環(huán)境光干擾，提高檢測(cè)精度。

九、光傳感器典型應(yīng)用

• 自動(dòng)照明系統(tǒng)：LDR 檢測(cè)環(huán)境光度控制燈具啟停；

• 光學(xué)編碼器：光電二極管與晶體管檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度；

• 安全與防盜裝置：光電對(duì)射式報(bào)警；

• 消費(fèi)電子：手機(jī)亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)；

• 能源系統(tǒng)：光伏元件監(jiān)測(cè)日照強(qiáng)度與方位。

十、光傳感器的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1. 環(huán)境光干擾：需屏蔽直射光或使用濾光鏡片；

2. 溫度系數(shù)：LDR 的響應(yīng)隨溫度變化，應(yīng)考慮補(bǔ)償；

3. 響應(yīng)時(shí)間匹配：根據(jù)應(yīng)用需求選擇適當(dāng)速度器件；

4. 信號(hào)放大與線性化：必要時(shí)采用運(yùn)算放大與標(biāo)定算法；

5. 長期穩(wěn)定性：封裝材料應(yīng)耐光老化與濕度。

【編輯點(diǎn)評(píng)】

1. 技術(shù)背景與意義
光傳感器是電子系統(tǒng)與外界環(huán)境交互的關(guān)鍵元件。
從早期的光敏電阻到高速光電二極管，其發(fā)展反映了傳感器從簡單感知到高精度測(cè)光與智能控制的演進(jìn)過程。
尤其在自動(dòng)控制、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）及能源系統(tǒng)中，光傳感技術(shù)已成為基礎(chǔ)構(gòu)件。

2. 工程應(yīng)用趨勢(shì)

• LDR 仍是低成本亮度檢測(cè)方案首選，適合非線性要求低的場(chǎng)景；

• 光電二極管與晶體管 已成為工業(yè)與通信領(lǐng)域的主流光傳感器；

• 光伏元件 正在從能量采集跨界至“光+電”混合傳感系統(tǒng)；

• 集成電路化與數(shù)字接口化趨勢(shì)明顯，I2C / SPI 光傳感芯片 已普遍應(yīng)用于移動(dòng)終端與自動(dòng)曝光系統(tǒng)。

3. 行業(yè)發(fā)展方向

• 采用 CMOS 工藝的 智能光學(xué)傳感器 正取代傳統(tǒng)光敏器件；

• 光譜響應(yīng)定制化 將滿足工業(yè)檢測(cè)與醫(yī)療成像的特殊需求；

• 多模態(tài)融合傳感（光 + 紅外 + 顏色 + 距離） 成為未來主流。

EEPW 認(rèn)為：光傳感技術(shù)的發(fā)展標(biāo)志著電子系統(tǒng)對(duì)“環(huán)境自適應(yīng)能力”的增強(qiáng)，它正在從單一光控元件，邁向具備計(jì)算與判斷能力的智能光感模塊，是人工視覺與自動(dòng)化控制的重要基石。