一般光谱仪的小型化是通过缩小元件尺寸和元件间距离实现的，会降低仪器的性能。为实现高光通量、高光谱分辨率的红外光谱探测，提出一种基于ZnSe平板波导的小型光谱仪的设计方法。说明平板波导结构压缩光束的原理，根据介质中光栅的衍射特性，推导出光谱分辨率与各个参数的关系，给出一个小型光谱仪的具体设计。仪器的光谱范围为8~14 μm，光谱分辨率为80 nm，数值孔径为0.3，光学系统是一整块ZnSe 平板波导，尺寸为70 mm × 70 mm × 4 mm。并与相同设计指标下一般Czerny-Turner 结构的光谱仪进行对比分析。结果表明基于ZnSe平板波导的小型光谱仪系统尺寸更小，光谱分辨率更高，光通量更大。

为实现红外光谱仪器的小型化, 通过分析现有小型光谱仪, 提出了一种基于平板波导的小型红外光栅光谱仪的设计方法。 平板波导光谱仪的小型化原理与一般的微小型光谱仪不同。 在平板波导光谱仪中, 光束被限制在一层薄薄的平板波导介质中传播, 看起来像是整个光学系统被压扁了。 在垂直于平板波导的方向上光学元件的尺寸可以做到很小, 从而显著减小光学系统的尺寸。 该系统的设计可分为Czerny-Turner结构设计、 波导结构设计。 先根据像差理论设计Czerny-Turner结构, 目标是保证光谱分辨率及校正像差; 然后根据几何光学理论设计波导结构, 包括平板波导和两个柱面透镜, 目标是压缩光束并校正像散; 最后将它们输入Zemax软件中进行综合优化, 以获得最优的光学系统。 据此方法设计了一个平板波导红外光栅光谱仪, 工作波段为8~12 μm, 数值孔径为0.22, 采用线阵探测器。 通过Zemax软件对结果进行分析和评价, 表明仪器光学系统的尺寸为130 mm×125 mm×20 mm, 工作波段内光谱分辨率达到80 nm, 满足设计指标要求。 证明了该优化设计方法是可行的, 所得系统尺寸小、 性能高。

与传统光谱仪相比，小型光谱仪在性能上存在着较大的差距，光度准确度较差、信噪比低等问题限制了其在弱光检测中的应用。分析小型光谱仪的噪声来源及其抑制方法，结合CCD设计了其致冷结构，并采用半导体致冷技术对自行设计的小型光谱仪进行了降噪处理。测量了不同温度下CCD的暗电流，发现致冷对CCD噪声起到很好的抑制作用；在此基础上，参照分光光度计的国家机械行业标准和计量检定规程，测量了致冷条件下小型光谱仪的光度噪声和基线平直度。结果表明：致冷能有效地提高仪器的性能，实验用小型光谱仪的光度噪声为±0．002 Abs，基线平直度为±0．004 Abs。

基于线阵电荷耦合器件(CCD)的小型光谱仪具有便于携带和快速探测的优点，故特别适于现场检测应用。介绍一种自行研制的小型光栅光谱仪，它采用Czerny－Turner式光学结构，并用线阵CCD作为探测器。该光谱仪光度特性的实验检测结果证明：实验样机的光度精密度优于±0．04Abs，光度准确度为±0．04Abs(0Abs～1Abs)。实验分析了光谱仪的杂散光、光度噪声和基线平直度等指标对仪器光度准确度的影响。最后针对小型光谱仪的特点提出改善其光度特性的措施。

小型光谱仪可以实现在线、现场以及实时化光谱分析.本文设计了一种交叉光路Czerny-Turner结构的小型光谱仪,使用美国Lambda Research公司开发的OSLO光学设计软件对光谱仪进行了分析.利用汞灯对该小型光谱仪进行了分辨率测试,可以分辨577 nm和579 nm两个波长.