科学家和工程师倾向于用一块布满方程的黑板来回答简单的关系问题，即使提问者只是想粗略估计一个变化是否会导致比它解决的问题更多的问题。

下面的经验法则为这种“猜测”提供了框架，并提供了相对准确答案的快捷方式。它们不是为了取代生产商业或实验室仪器、系统和组件所需的方程式和数据表，而是为确定项目是否可行提供一个起点。

光纤光学

对于单模光纤，模场直径大约比纤芯直径大15%。1米单模光纤的有效回波损耗（光纤反向散射）为69 dB。方程式：

给出了单模光纤芯径（d）、数值孔径（NA）和截止波长（λc）的近似关系。

探测器

温度每下降10°C，硅PIN光电二极管的噪声就会降低30%。CCD暗电流每下降9°C就减少一半。

在光电探测器/放大器系统中，放大器噪声随着放大器所见电容的平方而增加。

将示波器的带宽与其可以测量的最快探测器上升时间联系起来，可以通过以下公式得出：

例如，100 MHz示波器可以测量2.2 ns的上升时间。

光学探测器的响应率（单位为安培/瓦）大约等于其量子效率除以1.24。

在荧光寿命测量中，激发脉冲宽度与荧光时间的比值应为1:5至1:10。

光学元件

当光学涂层从0°的入射角偏移到45°时，波长会缩短10%。例如，如果0°在1064 nm处，则45°在958 nm处。

对于平凸透镜，焦距是凸面半径的两倍。平凹透镜也是如此，但由于表面颠倒，焦距为负。对于半径相等的双凹或双凸透镜，焦距将等于半径。

设计塑料光学元件：

• 塑料具有较低的玻璃化转变温度和较高的热膨胀系数，因此其使用仅限于约100°C以下的应用。
• 对于细长的塑料光学元件，要考虑到零件纵横比的影响以及随着时间的推移导致变形的重力影响。
• 光学表面应大于可用的透明孔径，以适应光学插件边缘出现的不同热特性。
• 安装特征应沿光学表面的外围均匀，以防止不均匀收缩。
• 厚度超过12毫米的塑料光学元件会出现流线和水槽等缺陷。冕玻璃的重量约为2.5克/立方厘米或0.1磅/平方英寸。熔融二氧化硅的重量稍轻，火石玻璃的重量可能要大得多。

将具有平行输入和输出面的玻璃板插入成像系统的空气光路中，将使到图像平面的光路增加约三分之一的玻璃板厚度。

在几乎所有存在球面像差的应用中，当透镜聚焦到最小光斑尺寸时，整体图像质量最佳。

如果R/y>5，球面的弧矢在y^2/（2R）的1%以内。R是曲面的曲率半径，y是半孔径。

如果你指定光学涂层，偏振可以是s或p，那么反射s和透射p更容易，成本更低。

光学公差的常用经验法则是：

表明一组加性公差的可能总效应T等于单个公差效应平方和的平方根。

数值孔径是光学系统收集或聚焦光线的锥角：

对于具有均匀照明的光学系统，最小焦点尺寸为：

因此，增加NA可以减小光斑尺寸并提高系统分辨率。然而，光学系统在可见光波长下的焦深为：

设计高NA透镜系统的目标是生产一个透镜孔径几乎与系统焦距一样大的系统，同时最大限度地减少像差。

线性焦移（在可见光中）为8（f数）^2或2/（NA）^2×峰谷OPD。对于焦点偏移，p到v为3.5×rms。

对于在有限共轭下工作的薄透镜，物像距离为（2-M-（1/M））×焦距。M是反转图像的负数。

为了简化光学对准，请从同一方向进行所有调整；在测量运行期间，执行相同的手动和非手动调整；仅针对像差（图像质量）或对准（图像位置）进行调整；并确定系统中的参考点。

激光

光的传播速度约为1英尺/纳秒。因此，要获得5英尺的激光测距精度，您必须以5到10纳秒的分辨率确定反射光的飞行时间。

超短脉冲激光（例如100fs脉冲）对视网膜损伤的阈值比标准激光低5到10倍。

对于半导体激光器，发射波长可以近似为：

其中E是有源区的材料带隙，单位为电子伏特。

激光束强度不应超过CCD芯片饱和值以上20dB，以防止对芯片造成物理损坏。

光源的相干长度（单位：米）由以下公式确定：

其中c是光速，单位为米每秒，Δv是光源的线宽，单位为赫兹。

在中红外波段（8至12μm），衍射限制的光束宽度（单位为毫弧度）大约等于光学直径（单位为英寸）的倒数。当然，因此，例如，在500nm的可见光区域的中间，光束宽度为1/20。

在激光加工中，激光通量增加十倍通常只会使整体蚀刻速率提高三倍。

激光束的焦点可以通过以下方式确定：

其中D0是透镜焦点处的光束直径，λ是激光的波长，M2是光束质量，θ是光束发散度。

成像

CCD相机的镜头格式应更大或与CCD的格式相同；即，2⁄3英寸格式的镜头在1⁄2英寸CCD上是可以的，但反过来会导致舷窗效应。

人眼的最小信噪比约为316:1。

在为机器视觉应用选择照明时，以下原则很有用：

• 为了测量简单的几何形状，定向照明（尤其是背光）是很好的。
• 为了避免阴影，光线应该从几个方向到达一个部分。
• 滤镜可以提高颜色识别能力。
• 偏振滤光片最大限度地减少了闪亮部分的反射，使其表面看起来非常暗。广角、漫射、同轴光将最大限度地减小反射，使表面看起来非常明亮。

肉眼可以看到的最小线宽或特征尺寸应该大约为0.003至0.005英寸（0.076至0.127毫米）。

对于水下激光距离选通成像，衰减长度定义为目标水中准直光束的1/e强度范围。在近岸浑浊水域中，将范围增加一个衰减长度需要激光能量×接收器孔径×量子效率的乘积大约增加一个数量级。

在选择相机的分辨率时：所研究的细节应至少覆盖相机视野内的两个像素。

电光器件

声光器件的调制频率为：Fm×Equation9.gif=0.75

其中Equation9.gif=D/V；D是光束直径，V是声光相互作用介质内的声速。Fm是光强度调制频率，其中调制深度为-3 dB或50%。在这种调制深度下，强度对比度为3:1。这被称为进入时间，换句话说，声波前在声光介质内穿过直径为D的光束的渡越时间。

声光器件的光上升时间为：Tr=0.64×D/V

其中D是光学直径，V是声光相互作用介质内的声速。

根据经典定义，光上升时间是指当射频阶跃函数应用于声光器件时，光脉冲强度从10%到90%所需的时间。这假设设备的电带宽足够宽，可以通过傅里叶脉冲分量。

转自：光子位

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