Światło wchodzące do spektroskopu niesie informację spektralną. Informacja ta jest dekodowana poprzez rozszczepienie światła na jego składowe spektralne. W swojej najprostszej formie spektroskop jest przyrządem pomiarowym składającym się ze szczeliny, kolimatora, elementu rozpraszającego i obiektywu skupiającego (patrz Rysunek 1). Światło przechodzi przez szczelinę i wpada do kolimatora. Kolimator jest specjalnym rodzajem soczewki, która „prostuje” światło padające pod różnymi kątami, tak że całe światło porusza się w tym samym kierunku. Czoło fali jest przekształcane w planarne czoło fali; jeśli chcesz myśleć o świetle jako o promieniach, wszystkie promienie świetlne poruszają się równolegle.
Następnie światło wchodzi do elementu rozpraszającego. Element rozpraszający rozprasza światło o wielu długościach fali na dyskretne kolory. Pryzmat jest przykładem elementu rozpraszającego. Białe światło wchodzące do pryzmatu jest rozdzielane na kolory widma. Innym rodzajem elementu rozpraszającego jest krata dyfrakcyjna. Siatka dyfrakcyjna przekierowuje światło pod nieco innym kątem w zależności od długości fali światła. Siatki dyfrakcyjne mogą być zarówno siatkami refleksyjnymi jak i siatkami transmisyjnymi. Siatka składa się z szeregu drobnych, ściśle rozmieszczonych linii. Światło padające na kratę jest odbijane pod kątem, który zmienia się wraz z długością fali. W ten sposób białe światło zostanie podzielone na kolory spektralne, a każdy kolor pojawi się w dyskretnie rozmieszczonych miejscach. Siatka transmisyjna działa podobnie jak siatka odbiciowa, z tą różnicą, że światło przechodzi przez nią i jest załamywane lub zaginane pod różnymi kątami w zależności od długości fali. Obiektyw skupiający jest po prostu systemem soczewek, takim jak w teleskopie, który powiększa widmo i skupia je do oglądania przez oko.
Spektroskop daje użyteczne informacje, ale są one tylko tymczasowe. Aby uchwycić dane spektroskopowe na stałe, opracowano spektrograf. Spektrograf działa na tych samych zasadach co spektroskop, ale zawiera pewne środki do trwałego przechwytywania obrazu widma. Wczesne spektrografy zawierały kamery fotograficzne, które rejestrowały obrazy na kliszy. Nowoczesne spektrografy zawierają wyrafinowane kamery ze sprzężeniem ładunkowym (CCD), które przekształcają sygnał optyczny w sygnał elektryczny; przechwytują obraz i przekazują go do wideo lub komputera do dalszej analizy.
Przyrządem spektroskopowym, na który jest dziś duże zapotrzebowanie, jest spektrometr. Spektrometr może dostarczyć informacji o ilości promieniowania, które źródło emituje przy określonej długości fali. Jest on podobny do spektroskopu opisanego powyżej, z wyjątkiem tego, że ma dodatkową zdolność do określenia ilości światła wykrytego na danej długości fali.
Są trzy podstawowe typy spektrometrów: monochromatory, monochromatory skanujące i polichromatory. Monochromator wybiera tylko jedną długość fali ze źródła światła, podczas gdy monochromator skaningowy jest zmotoryzowanym monochromatorem, który skanuje cały obszar długości fali. Polichromator wybiera wiele długości fali ze źródła.
Spektrofotometr jest przyrządem do rejestrowania widm absorpcji. Zawiera źródło promieniowania świetlnego, uchwyt na próbkę, element rozpraszający i detektor. Próbka może być umieszczona w uchwycie przed źródłem, a powstałe światło jest rozpraszane i rejestrowane przez aparat fotograficzny, matrycę CCD lub inny detektor.
Ważna klasa spektrometrów nazywana jest spektrometrem obrazowym. Są to instrumenty teledetekcji zdolne do pozyskiwania obrazów powierzchni Ziemi z samolotu lub z satelity na orbicie. Dane ilościowe o intensywności promieniowania lub odbicia sceny mogą być obliczane, dając ważne informacje diagnostyczne o tym regionie. Na przykład, wiele ważnych minerałów skałotwórczych posiada właściwości absorpcyjne w podczerwonym obszarze widma. Kiedy światło słoneczne uderza w te skały i jest odbijane z powrotem, charakterystyczne długości fali światła są absorbowane dla każdego rodzaju skały. Spektrometr obrazujący robi zdjęcie niewielkiego obszaru skał, rozszczepia światło z obrazu na różne długości fal i mierzy, ile odbitego światła jest wykrywane na każdej długości fali. Określając, jakie ilości i długości fal światła są absorbowane przez obrazowany region, naukowcy mogą określić skład skał. Dzięki podobnym technikom, spektrometry obrazujące mogą być używane do mapowania roślinności, śledzenia szkód spowodowanych przez kwaśne deszcze w lasach oraz śledzenia zanieczyszczeń i ścieków w wodach przybrzeżnych.
Inną klasą spektrometrów bardzo użyteczną dla przemysłu laserowego jest analizator widma. Chociaż lasery są nominalnie źródłami monochromatycznymi, w rzeczywistości występują niewielkie różnice w długościach fal emitowanego światła. Analizatory widma dostarczają szczegółowych informacji o długości fali i jakości wyjściowego sygnału laserowego, informacji krytycznych dla wielu zastosowań naukowych.