Các hệ thống đo lường và điều khiển quang học, được thiết kế dựa trên các nguyên tắc khác nhau mà quang thông tương tác với các thành phần quang điện, rất đa dạng. Dựa trên bản chất của tín hiệu đầu ra được tạo ra bởi các thành phần quang điện (hoặc toàn bộ hệ thống), các hệ thống này có thể được phân loại thành hai loại: cảm biến quang điện tương tự và cảm biến quang điện xung (hoặc chuyển mạch). Cảm biến quang điện tương tự chuyển đổi đại lượng đo được thành dòng quang điện thay đổi liên tục, thiết lập mối quan hệ-có giá trị duy nhất giữa đại lượng đo được và tín hiệu đầu ra. Dựa trên phương pháp được sử dụng để đo (hoặc phát hiện) đối tượng mục tiêu, cảm biến quang điện tương tự có thể được phân loại thành ba loại chính: loại truyền (hấp thụ), loại phản xạ khuếch tán và loại chặn ánh sáng (gián đoạn chùm tia). "Loại truyền" dùng để chỉ cấu hình trong đó đối tượng được đo được đặt trong đường quang; năng lượng ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng không đổi truyền qua vật thể-với một phần được hấp thụ-trước khi ánh sáng truyền qua chạm vào thành phần quang điện. "Loại phản xạ khuếch tán" bao gồm một nguồn sáng không đổi phát ra ánh sáng lên vật thể được đo, sau đó ánh sáng được phản xạ khuếch tán từ bề mặt vật thể và sau đó chiếu vào thành phần quang điện. "Loại chặn ánh sáng" mô tả trường hợp trong đó quang thông phát ra từ nguồn sáng bị vật thể đang đo cản trở một phần, do đó làm thay đổi lượng quang thông tới thành phần quang điện; độ lớn của sự thay đổi này liên quan trực tiếp đến vị trí của vật thể trong đường quang.
Photodiode là loại cảm biến quang phổ biến nhất. Về mặt vật lý, photodiode giống như một diode tiêu chuẩn. Khi không có ánh sáng, nó hoạt động giống như một diode thông thường, tạo ra một dòng điện ngược rất nhỏ được gọi là “dòng tối”. Khi tiếp xúc với ánh sáng, các hạt mang điện bị kích thích, tạo ra các cặp lỗ trống electron được gọi là "các hạt mang điện". Dưới tác dụng của điện trường bên ngoài, các tế bào quang điện này tham gia vào quá trình dẫn điện, làm phát sinh dòng điện ngược lớn hơn đáng kể so với dòng điện tối; dòng điện tạo ra này được gọi là "dòng quang". Độ lớn của dòng quang điện tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng tới; do đó, có thể thu được tín hiệu điện thay đổi theo sự thay đổi cường độ ánh sáng qua điện trở tải.
Ngoài khả năng chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện-chức năng được chia sẻ với điốt quang-bóng bán dẫn quang còn có khả năng riêng biệt để khuếch đại các tín hiệu điện này. Hình dáng vật lý của phototransistor khác rất ít so với bóng bán dẫn tiêu chuẩn. Thông thường, một phototransistor chỉ có hai dây dẫn bên ngoài-bộ phát và bộ thu-trong khi dây dẫn cơ sở không được kết nối bên trong. Vỏ thiết bị được thiết kế có cửa sổ trong suốt để cho ánh sáng lọt vào. Để tối đa hóa khả năng hấp thụ ánh sáng, diện tích bề mặt của vùng cơ sở được làm lớn hơn đáng kể so với vùng phát; do đó, ánh sáng tới chủ yếu được hấp thụ trong vùng cơ sở. Trong quá trình vận hành, điểm nối cơ sở-bộ thu được phân cực ngược{10}}trong khi điểm nối cơ sở bộ phát-được phân cực thuận{12}}. Trong trường hợp không có ánh sáng, dòng điện chạy qua thiết bị được gọi là "dòng tối" (Iceo=(1 + ) Icbo); dòng điện này cực kỳ nhỏ{16}}thậm chí còn thấp hơn cả dòng điện rò rỉ trong bóng bán dẫn tiêu chuẩn. Khi tiếp xúc với ánh sáng, một số lượng lớn các cặp lỗ trống{18}}electron được tạo ra, dẫn đến sự gia tăng dòng điện cơ sở (Ib). Dòng điện chạy qua thiết bị trong những điều kiện này được gọi là "dòng quang điện", với dòng điện phát được tính bằng Ie=(1 + ) Ib. Vì vậy, rõ ràng là phototransistor có độ nhạy cao hơn so với photodiode.
Nguyên tắc hoạt động
Cảm biến quang điện đạt được sự kiểm soát bằng cách chuyển đổi những thay đổi về cường độ ánh sáng thành những thay đổi tương ứng trong tín hiệu điện.
Thông thường, cảm biến quang điện bao gồm ba thành phần chính: bộ phát, bộ thu và mạch phát hiện.
Máy phát phát ra một chùm ánh sáng hướng tới vật thể mục tiêu. Chùm ánh sáng này thường được tạo ra bởi nguồn sáng bán dẫn-chẳng hạn như Điốt phát sáng-ánh sáng (LED), điốt laze hoặc điốt phát hồng ngoại. Chùm ánh sáng có thể được phát ra liên tục hoặc được điều chế thông qua sự thay đổi độ rộng xung. Cụm máy thu thường bao gồm các thành phần như điốt quang, bóng bán dẫn quang hoặc tế bào quang điện. Các thành phần quang học-chẳng hạn như thấu kính và khẩu độ-được đặt ở phía trước bộ thu để điều hòa ánh sáng tới. Nằm phía sau máy thu là mạch phát hiện, dùng để lọc tín hiệu liên quan và xử lý nó cho ứng dụng thực tế.