本文首先介绍了小型光谱仪的应用范围和国内外发展情况，以及其意义。对光谱仪理论做了比较全面的阐述，分别论述了光谱仪器中的光源系统、准直系统、分光系统、成象系统和接收系统，以及对光谱仪器的种类和划分类别做了介绍。同时对CCD传感器和CMOS传感器的工作过程原理和工作性能做了理论分析和阐述，为CMOS传感器应用在光谱分析仪器上提供理论基础。分析了对称型和交叉型Czerny-Turner光路结构中二次或多次衍射光对系统的影响；设计了一种基于交叉Czerny-Turner结构的新型光路结构，该光路结构使原来的一段连续光谱分成上下排列的两段光谱，有效扩展面阵CMOS传感器接受光谱的范围；利用光学仿真软件Tracepro对光路进行了光学建模与模拟，对该光路结构的正确性与可行性进行了验证；根据模拟结果搭建了样机。基于windows平台利用Visual C#编程语言设计编写了上述CMOS光谱仪样机的程序软件。针对本文数据运算量大的特点，设计软件时采用了多线程编程技术和双缓冲绘图技术来提高软件程序运行速度和绘图质量，实现了数据的绘图显示和自动保存的功能。对CMOS响应线性问题进行了实验研究，并进行了定标和校正，对样机的各项性能指标进行了初步的测试。