所有光學表面的一個令人討厭的特性是它們散射光的能力。這種不希望的光通常被稱為雜散輻射能（SRE）。當這些光到達設計用于測量光信號的儀器的檢測器時，SRE會導致系統的噪聲。本文解釋了來自光柵和光譜儀中不想要光的原因，并描述了如何測量這些不需要的光線。

SRE的術語不是標準的，因此為了清晰起見，我們將來自光柵表面的不需要的光稱為散射光，將到達基于光柵的儀器的檢測器的不需要光稱為雜散光。

散射光的原因

考慮由標稱間距為d的凹槽圖案組成的衍射光柵。散射光被定義為離開衍射光柵表面的光，其不遵循標稱凹槽間距的光柵方程，這類似于反射鏡的散射光概念，即離開其表面的光不遵循反射定律。

mλ = (sinα + sinβ) / λcosβ

由于多種原因，光可能被衍射光柵散射。

光柵涂層表面不規則。 在入射波長的尺度上粗糙（或稍?。┑墓鈻疟砻鎸е氯肷涔獾囊恍〔糠稚⑸洌?，向所有方向散射），其強度大致隨波長的倒數四次方而變化。表面粗糙度部分是由于主光柵的表面質量，無論是刻線光柵還是全息光柵，因為刻線光柵的金屬涂層和全息光柵的光致抗蝕劑涂層不是完全光滑的。此外，由于涂層的顆粒結構，添加反射涂層可能有助于提高表面粗糙度。[然而，這并不總是正確的：在某些情況下，復制光柵比其主光柵表現出更低的平面外散射。]

光柵表面有灰塵、劃痕和針孔。 反射光柵表面的每一個灰塵斑點、微小劃痕和針孔空隙都將成為“散射中心”，并導致漫散射。在明亮的光線下檢查光柵時，這一點很明顯：灰塵、劃痕、針孔在從許多不同的角度觀察時很容易看到和明亮（因此它們的散射光具有漫射性質）。

凹槽位置不規則。 凹槽圖案中除了凹槽間距d之外的空間頻率的存在將導致衍射光的相長干涉，其角度對于標稱凹槽間距d不遵循光柵方程（1），而是對于不同的間距d’≠d。

直到最近出現了對光柵引擎的干涉控制，機械光柵顯示出顯著的二次光譜，稱為鬼影，這是由于其凹槽的位置與理想位置相比略有偏差。由于較長期的周期性（遠大于凹槽間距），接近父衍射線并關于父衍射線對稱的鬼影被稱為羅蘭鬼影，而萊曼鬼影距離父衍射線更遠，是由短期的周期性引起的（按凹槽間距的順序）。羅蘭和萊曼鬼影都遵循光柵方程，但對于1/d以外的空間頻率。

凹槽放置中的隨機（而非周期性）不規則性會導致幾次之間的背景模糊，而不是尖銳的重影；這種背景在早期用綠色汞光觀察到，因此被稱grass。

Ghosts和grass是平面內效應 （也就是說，它們出現在色散平面內和附近），并導致級次間散射，其強度大致隨波長的平方反比而變化。全息光柵的凹槽是同時形成的，如果制作得當，則不會表現出凹槽放置的不規則性，因此具有低得多的級次間散射水平。

凹槽深度不規則。 這種影響是由于拋光過程和金屬涂層的彈性（在刻線母光柵的情況下），或者由于曝光強度和顯影條件的差異（在全息主光柵的情形下）。

由于記錄系統造成的雜散條紋圖案。 對于全息光柵，在制作主光柵時必須注意抑制所有不需要的反射和散射光。例如，來自光學支架的光可能在曝光期間到達主光柵坯料，并留下一個信號條紋圖案，當光柵涂有金屬并被照明時，該圖案會導致散射光。記錄光束中透鏡上的劃痕可以在主光柵上產生菲涅耳“bulls-eye”圖案，作為該主光柵制作的每個復制品的散射中心。

因此，完美的光柵（從散射光的角度來看）將具有完美放置的凹槽的圖案，每個凹槽具有適當的深度，并且凹槽上的表面不規則性將遠小于入射光的波長。在這種情況下，入射到光柵上的所有光將根據光柵方程（對于標稱凹槽間距d）離開。一個未被充分認識到的事實是，即使是完美的光柵，其入射光也會被衍射成不需要的階數（零階——鏡面反射——總是存在，而其他階數經常存在），當我們考慮儀器雜散光時，這將導致復雜性。

測量光柵散射光

光柵散射通常在靈敏單色儀（其中測試光柵是散射元件）中使用窄譜帶源進行測量；最常用的是綠色Hg線（λ=546.1nm）和紅色HeNe線（λ=632.8nm）。光入射在固定光柵上（通常朝著光柵后面的一點會聚），信號記錄在檢測器上，該檢測器圍繞以光柵為中心的弧在焦距處擺動。此過程生成散射光曲線，如圖1所示。

圖1。光柵的典型散射光曲線，顯示兩個衍射級（m=0和m=+1）、兩個羅蘭重影R以及級之間和級外的級間散射?？v軸是對數強度（歸一化為給定光譜級的入射強度或衍射強度）；橫軸是波長讀數（而不是波長）；請注意，在測試過程中，入射光是恒定波長的準單色光，探測器的掃描角度通過光柵方程與波長讀數相關。

光柵散射也可以用雙向散射分布函數（BSDF）來表示，單位為反向球面輻射，但到目前為止，還沒有采用明確的標準方法來報道光柵散射。

儀器雜散光產生的原因

考慮將光譜儀對準，以便探測器以光譜級次m記錄分析波長λ。儀器雜散光通常被定義為到達探測器的波長λ’≠λ或光譜級次m’≠m錯誤的光。這可歸因于許多因素：

光柵散射。 如上所述，被光柵散射的光可能到達檢測器并導致儀器雜散光。這種類型的雜散光對于“完美”光柵來說是不存在的。

其他衍射級數。 分析波長λ的光不僅衍射到m級，而且衍射到任何其他存在的級。[零級在儀器中總是存在，但幾乎總是沒有價值，這尤其麻煩。]其他衍射光束沒有朝向探測器，但如果它們從墻上或其他光學器件反射，或者從光譜儀的任何內表面散射，它們強度的一部分可能會作為儀器雜散光到達探測器。即使對于完美的光柵，這種類型的雜散光也不是不存在的，并且需要適當的儀器設計（例如擋板、光阱等）來減少。

光譜級次相同的其他波長。 通常，光譜儀使用寬光譜源（例如，燈或放電管），光柵旨在從源的輸出中選擇窄光譜帶，并將其衍射到檢測器。離開光源的所有其他波長也會被衍射，除非它們以某種方式被過濾掉，并且可能（如果沒有被正確地捕獲或阻擋）到達探測器。特別地，光柵方程表明，如果m’λ’≠mλ，則波長為m’≠m的光將被衍射向探測器。

由于探測器不是波長選擇性的（如果是的話，系統中幾乎不需要光柵），這種能量會導致儀器雜散光。與來自其他衍射級的分析波長的光一樣，這種類型的雜散光對于完美的光柵來說并不是不存在的，因此可能需要擋板、光阱和特別是級次分選濾波器來減少其影響。

因此，很明顯，包含完美光柵（沒有散射光的光柵）的光譜儀仍將具有非零儀器雜散光。人們常說的“光柵是系統中雜散光的最大原因”可能是真的，但即使是完美的光柵也必須遵守光柵方程。

測量儀器雜散光

測量儀器雜散光最常見的技術是使用一組高通截止濾光器（其透射曲線如圖2所示）。將儀器調諧到分析波長λ，并在光束中放置一系列濾波器，每個濾波器的λC（>λ）依次更高，并在檢測器處讀取強度讀數。[通常，在可見光譜中，λC應超過λ至少20 nm，以確保幾乎沒有分析波長為λ的光通過濾波器，并使讀數復雜化。]非零讀數表明存在雜散光。適當的研究需要在一個以上的分析波長下進行測量，因為雜散光特性無法外推（由于上述光柵散射和儀器雜散光的原因的不同波長依賴性，以及每個衍射階的不同效率曲線）。

圖2:典型高通截止濾光器的透射曲線。這種類型的濾波器通常由λC指定，其透射系數為50%的波長。

另一種方法是用窄帶單色光源（汞燈、氦氖激光器等）代替多色光源。儀器被調諧到光源的峰值波長，并讀取讀數。然后將儀器調到不同的波長（超過儀器的標稱帶通），并讀取另一個讀數。因此，雜散光可以表示為散射光和主光束的強度之比。

通常，光譜儀中不需要的光不是通過儀器雜散光來量化的，而是通過信噪比（SNR）來量化的。信噪比是一個與儀器規格更相關的無量綱量。SNR被定義為信號（當系統針對分析波長定向時檢測器處的光）與噪聲（當使用高通截止濾波器時檢測器讀數）的比率。有時使用該比率的倒數，在這種情況下，SNR以傳輸百分比表示；此外，可以使用該比率的以10為底的對數，在這種情況下，SNR以吸光度單位給出。

刻線衍射光柵和全息衍射光柵

全息光柵比刻線光柵具有更低散射的常見說法有時是正確的，但大大簡化了復雜的現象，而不是關于儀器性能的說法。當然，全息光柵沒有可測量的鬼影和grass，但由于表面粗糙，它們會顯示出散射光。此外，如果在特定儀器中，雜散光更多地是由于其他衍射級的存在，而不是由于光柵本身的缺陷，那么光柵在每個傳播級中的效率曲線將影響雜散光讀數，并且如果全息光柵的效率曲線有助于更高的儀器雜散光，則全息光柵可能不如刻線光柵理想?；陔s散光的考慮，光柵類型（刻線光柵或全息光柵）的選擇并不簡單，做出決定的最佳方法是在系統中使用每種類型的光柵（具有相同的凹槽間距、反射涂層和峰值波長）進行儀器雜散光測量。