传统光谱仪的微型化往往导致光谱仪分辨率、灵敏度等性能下降。近年来,国内外研究人员提出了一种基于散斑的波长相关性的计算光谱仪,不仅可以提高光谱仪分辨率,也能大大精简光谱仪的结构,克服了微型光谱仪尺寸与分辨率之间的相互制约问题。计算光谱仪用随机散射介质替代传统光谱仪中的色散元件以获得较高的分辨率,但现有的计算光谱仪普遍存在光能利用率低、分辨率和带宽互相制约等缺点。本文提出一种基于随机像素光栅结构的计算光谱仪系统,能够有效提高光能利用率,并且有望同时获得较高的光谱分辨率和带宽。本文的研究内容主要分为四部分,包括随机像素光栅的衍射散射理论研究、随机像素光栅的设计和制备、Littman外腔反馈半导体激光器的设计和实现、最小二乘反演算法及反演测试。理论部分推导了焦平面上随机像素光栅的夫琅禾费衍射斑分布表达式,并仿真研究了不同参数对分辨率的影响。基于理论和仿真,设计并制备了随机像素光栅样品。为了测试本文提出的计算光谱仪,自主设计并制作了基于Littman结构的外腔半导体激光器,实现10nm左右的波长调谐范围,0.14nm左右的调谐分辨率,优于0.1nm的线宽。此外,本文搭建了一套计算光谱仪实验系统,完成了传输矩阵的标定实验。最后编写了最小二乘算法,成功反演出激光二极管(LD)的单纵模输出光谱和自由运转时的复色光谱。实验和仿真表明,该系统能够以较简单的结构、较小的尺寸实现光谱测量功能,具有很好的发展前景。