Le celle fotoelettriche sfruttano il principio della rottura dei legami coovalenti degli atomi in certi metalli se colpiti da energia fotonica, ovvero, se colpiti dalla luce.
Infatti un qualsiasi metallo, non influenzato da fattori esterni, si trova allo stato neutro, cioè, il numero degli elettroni è uguale al numero dei protoni.

L'energia fotonica colpendo il metallo, libera l'elettrone periferico dell'atomo rendendo positiva la parte superficiale per il predominio dei protoni. Nasce così un campo elettrico tra la superficie del conduttore e l'elettrone appena liberatosi tale da far rientrare quest'ultimo nel suo atomo. Perchè l'elettrone possa essere strappato definitivamente dal metallo, occorre intervenire con l'apporto di una energia esterna come ad esempio un campo elettrico.

Perciò, la cellula fotoelettrica è costituita da due elettrodi chiamati rispettivamente "Katodo" e "Anodo" racchiusi in un'ampolla di vetro dentro la quale viene praticato il vuoto. Tra Anodo e Katodo viene applicata una differenza di potenziale, così, se il Katodo viene colpito dalla luce, l'energia fotonica libera degli elettroni che, sottoposti ad un campo elettrico, vengono accelerati e raggiungono l'Anodo costituendo un flusso di elettroni, ovvero, una corrente elettrica. Si intuisce subito che adoperando particolari metalli per il Katodo o trattando chimicamente quest'ultimo con speciali sostanze, è possibile creare delle fotocellule sensibili a determinati colori o meglio ancora, a determinate lunghezze d'onda.

Le fotocellule possono anche essere dei semiconduttori, un esempio è il fotodiodo che, se colpito dalla luce nella zona di svuotamento, permette che gli elettroni della zona N saltino nella zona P costituendo una corrente elettrica. Collegando in serie all'anodo una resistenza, si crea ai capi di essa una caduta di tensione quando il fotodiodo è colpito dalla luce; la Vr=0 in assenza di luce perchè la corrente è nulla. Questa caduta di tensione potrà servire per azionare un dispositivo elettromeccanico quale un relè.

La figura precedente descrive due modi di installare un sistema a fotocellula:
nel primo caso il diodo emettitore di luce viene montato ad una estremità mentre il fotodiodo dall'altra parte. Il cambiamento di stato logico del fotodiodo si ha quando viene interrotto il fascio luminoso tra i due dispositivi.

Nel secondo caso, tutte e due i componenti sono montati dallo stesso lato e la riflessione della luce avviene attraverso un catarifrangente.

Fotoresistori

Poiché la minima energia richiesta da un fotone per produrre la rottura di un legame covalente è rappresentata dalla larghezza della banda proibita (Eg) nel materiale semiconduttore, esiste per l'effetto conduttivo una frequenza di soglia della radiazione incidente. La lunghezza d'onda critica (l c) si ricava dalla relazione

Fotocellule a sbarramento

Le fotocellule a sbarramento sono costituite da un emettitore di luce, costituito in genere da un diodo led, e da un ricevitore posto frontalmente al primo, costituito in genere da un fotodiodo. La luce emessa dal diodo emettitore viene rilevata dal fotodiodo mantenendo un certo stato logico i contatti del micro relè interno. Se un ostacolo si interpone tra il TX e l'RX, i contatti del micro relè interno cambiano stato logico attivando un evento.

Nel secondo caso si hanno necessità tecniche in cui emettitore e ricevitore devono essere collocati nello stesso lato. In tal caso sono contenuti nello stesso involucro e per riflettere la luce viene posto frontalmente un catarifrangente.
Nel terzo caso si può ipotizzare che l'ostacolo che si interpone tra il blocco RXTX sia un corpo riflettente e che comunque elude il controllo. In tal caso si usano sensori a luce polarizzante. Con appositi filtri, la luce di emissione viene polarizzata sul piano verticale mentre la ricezione avviene sul piano orizzontale attraverso un secondo filtro ottico. Se un corpo riflettente attraversa la barriera, esso riflette la sola luce verticale che non è riconosciuta dal ricevitore. Il catarifrangente, per sua natura costruttiva, riflette sia la polarizzazione verticale che orizzontale.

Nella prima figura l'ostacolo è costituito da un oggetto di vetro o di PET come le bottiglie, si usa uno speciale sensore a retroriflessione a bassa isteresi, in grado di rilevare piccole differenze di segnale dovuta alla lieve attenuazione di segnale quando attraversa l'oggetto.

Nella seconda figura non si sfrutta il catarifrangente in quanto la riflessione viene creata dall'oggetto stesso. La portata del sensore sarà limitata a qualche decina di centimetri visto che viene sfruttata la pochissima riflessione del corpo.

Nella terza figura è rappresentato un sensore a forcella dove ricevitore e trasmettitore si trovano nella parte interna della forcella. L'applicazione è costrittiva alla rivelazione di oggetti non più distanti di due centimetri come la rilevazione di fori o di denti di un ingranaggio.

In quest'altro gruppo di immagini sono raffigurati dei sensori speciali tra cui i sensori di contrasto. Quest'ultimi sono dei lettori di tacche colorate, ovvero sia, invece di rilevare la presenza o no di un oggetto, riescono a distinguere due superfici in base al contrasto del grado di riflessione. In poche parole una tacca di colore scura, può essere rilevata per contrasto rispetto ad uno sfondo più chiaro e molto riflettente. Per esempio nel campo del confezionamento, viene già preparato un naylon con delle tacche scure alla stessa distanza in modo in modo che vengano intercettate dal sensore fotoelettrico della macchina confezionatrice che provvede al taglio della busta in un punto ben preciso.

I sensori fotoelettrici di luminescenza vengono adoperati per l'intercettazione di corpi fluorescenti come certe etichette con marchiatura particolare. Il sensore emette una luce ultravioletta e per riflessione sul corpo fluorescente, si ha una luce con lunghezza d'onda maggiore entrando nello spettro della luce visibile di cui è sensibile il ricevitore.

Il sensore di colore emette fondamentalmente tre colori principali: rosso, verde e blù. Il colore di un oggetto viene identificato in base ai diversi coefficienti di riflessione che si ottengono dalla illuminazione dei tre colori fondamentali. Per esempio: il giallo viene identificato perchè riflette il rosso al 50%, il verde al 50% e il blù a 0%. Il colore rosa è identificato perchè riflette il rosso al 50%, il verde al 0% e il blù allo 0%. Le applicazioni vanno dai processi di lavorazione per l'identificazione di oggetti colorati.

Lettori di codici a barre

Le informazioni sul codice a barre si identificano da una serie di linee nere su sfondo bianco. Le linee possono essere sottili o spesse e questo determina una certa informazione; possono essere ravvicinate o distanziate e quest'altra cosa determina una seconda informazione, sotto ogni barra è presente un numero che identifica ancora un'altra informazione, e così via. Vediamo ora come si presenta una etichetta con codice a barre:

Il codice a barre viene identificato da uno speciale lettore costituito da un laser che emette un raggio su un prisma che lo diffonde a raggiera sull'altra faccia.
I diversi raggi, colpendo l'etichetta, riflettono più o meno la luce che viene rivelata da uno speciale sensore ottico che riesce a valutare lo spessore della linea, la distanza fra le linee, ecc.

Esistono diversi standard di stampa dei codici a barre, in ogni caso sono in grado di rilevare la riflessione della luce anche con etichetta inclinata.

Fibre ottiche

Tutte le funzioni svolte dai sensori ottici fin quì descritte, si possono relalizzare con delle fibre ottiche la dove esiste un problema di spazio. Una fibra ottica è costituita da un nucleo cilindrico in vetro o in plastica circondato da un mantello in teflon. La differenza tra l'indice di rifrazione del nucleo e quella del mantello permette alla luce di diffondersi in modo guidato all'interno della fibra. Le fibre ottiche in plastica hanno un diametro esterno di 2,2 mm e la loro lunghezza non supera i 2 m altrimenti si riducono di molto le prestazioni. Tali fibre possono essere accorciate con un utensile particolare detto taglia-fibre utilizzabile un numero limitato di volte. Infatti, un utensile non affilato o che non taglia bene perpendicolarmente, può creare nella fibra un calo delle prestazioni.

Questi dispositivi sono principalmente utilizzati per montaggio in spazi limitati di difficile accesso, con alte temperature, vibrazioni o condizioni ambientali particolari.