Licht dat een spectroscoop binnenkomt, draagt spectrale informatie met zich mee. De informatie wordt gedecodeerd door het licht op te splitsen in zijn spectrale componenten. In zijn eenvoudigste vorm is een spectroscoop een kijkinstrument dat bestaat uit een spleet, een collimator, een dispergeerelement en een scherpstelobjectief (zie figuur 1). Het licht gaat door de spleet naar de collimator. Een collimator is een speciaal soort lens die licht dat onder verschillende hoeken binnenkomt, “rechtricht” zodat al het licht in dezelfde richting gaat. Het golffront wordt omgezet in een vlak golffront; als je licht als stralen wilt zien, worden alle lichtstralen evenwijdig gemaakt.
Daarna komt het licht in het dispersie-element. Een dispergerend element verspreidt licht van verschillende golflengten in verschillende kleuren. Een prisma is een voorbeeld van een dispergerend element. Wit licht dat het prisma binnenkomt, wordt gescheiden in de kleuren van het spectrum. Een ander type dispergerend element is een diffractierooster. Een diffractierooster leidt het licht onder een licht verschillende hoek, afhankelijk van de golflengte van het licht. Diffractieroosters kunnen zowel reflectieroosters als transmissieroosters zijn. Een tralie bestaat uit een reeks fijne, dicht bij elkaar geplaatste lijnen. Licht dat op de tralie valt, wordt weerkaatst onder een hoek die varieert met de golflengte. Zo wordt wit licht verdeeld in de spectrale kleuren en verschijnt elke kleur op een discrete plaats. Een transmissierooster werkt op dezelfde wijze als een reflectierooster, behalve dat het licht er doorheen reist en wordt gebroken of gebogen onder verschillende hoeken, afhankelijk van de golflengte. Het scherpstelobjectief is gewoon een lenzenstelsel, zoals dat op een telescoop, dat het spectrum vergroot en scherpstelt om het met het oog te kunnen bekijken.
Een spectroscoop geeft nuttige informatie, maar die is slechts tijdelijk. Om spectroscopische gegevens permanent vast te leggen, werd de spectrograaf ontwikkeld. Een spectrograaf werkt volgens dezelfde principes als een spectroscoop, maar bevat middelen om permanent een beeld van het spectrum vast te leggen. Vroege spectrografen bevatten fotocamera’s die de beelden op film vastlegden. Moderne spectrografen bevatten geavanceerde CCD-camera’s (charge coupled device) die een optisch signaal omzetten in een elektrisch signaal; zij leggen het beeld vast en brengen het over naar video of computer voor verdere analyse.
Een spectroscopisch instrument waar tegenwoordig veel vraag naar is, is de spectrometer. Een spectrometer kan informatie verschaffen over de hoeveelheid straling die een bron op een bepaalde golflengte uitzendt. Het is vergelijkbaar met de hierboven beschreven spectroscoop, behalve dat het de extra mogelijkheid heeft om de hoeveelheid licht te bepalen die bij een bepaalde golflengte wordt gedetecteerd.
Er zijn drie basistypen spectrometers: monochromatoren, scanning monochromatoren, en polychromatoren. Een monochromator selecteert slechts één golflengte van het bronlicht, terwijl een scanning monochromator een gemotoriseerde monochromator is die een volledig golflengtegebied scant. Een polychromator selecteert meerdere golflengten van de bron.
Een spectrofotometer is een instrument voor het registreren van absorptiespectra. Het bevat een stralingslichtbron, een monsterhouder, een dispersie-element, en een detector. Een monster kan in de houder voor de bron worden geplaatst, en het resulterende licht wordt verstrooid en opgevangen door een fotocamera, een CCD-array of een andere detector.
Een belangrijke klasse spectrometers wordt een imaging spectrometer genoemd. Dit zijn instrumenten voor teledetectie waarmee vanuit een vliegtuig of vanuit een satelliet in een baan om de aarde beelden van het aardoppervlak kunnen worden gemaakt. Kwantitatieve gegevens over de stralingsintensiteit of het reflectievermogen van het beeld kunnen worden berekend, wat belangrijke diagnostische informatie over dat gebied oplevert. Zo heeft een aantal belangrijke gesteentevormende mineralen absorptiekenmerken in het infrarode spectrale gebied. Wanneer zonlicht op deze gesteenten valt en wordt teruggekaatst, worden voor elk type gesteente karakteristieke golflengten van het licht geabsorbeerd. Een beeldvormende spectrometer maakt een foto van een klein gebied van gesteenten, splitst het licht van het beeld in verschillende golflengten, en meet hoeveel gereflecteerd licht bij elke golflengte wordt gedetecteerd. Door te bepalen welke hoeveelheden en golflengten van het licht worden geabsorbeerd door het gebied dat wordt afgebeeld, kunnen wetenschappers de samenstelling van de rotsen bepalen. Met soortgelijke technieken kunnen beeldvormende spectrometers worden gebruikt om de vegetatie in kaart te brengen, schade door zure regen in bossen op te sporen, en verontreinigende stoffen en afvalwater in kustwateren op te sporen.
Een andere klasse spectrometers die zeer nuttig is voor de laserindustrie is de spectrumanalyzer. Hoewel lasers nominaal monochromatische bronnen zijn, zijn er in feite kleine variaties in de golflengten van het uitgezonden licht. Spectrumanalysatoren verschaffen gedetailleerde informatie over de golflengte en de kwaliteit van de laseroutput, kritische informatie voor vele wetenschappelijke toepassingen.