Ein Spektralapparat dient dazu, Licht in ein regenbogenartiges Band zu zerlegen, das Spektrum. Das Mittel der Wahl dazu waren im 19. Jahrhundert Prismen: Sie zerlegen weißes Licht in seine Bestandteile. Je nach Art der Lichtquelle sehen Spektren sehr verschieden aus. Die Chemiker Robert Bunsen (1811-1899) und Gustav Kirchhoff (1824-1887) interessierten sich besonders für dunkle Stellen im Spektrum der Sonne, die sie mit hellen Stellen im Spektrum erhitzt leuchtender chemischer Elemente identifizierten. Dazu benötigten sie ein Gerät, das das Licht besonders stark bricht und gleichzeitig hochpräzise Messungen erlaubte. Dieser Spektralapparat erfüllt beide Bedingungen. Sein massiver großer Tisch ermöglichte es, kleine Winkel einzustellen und gleichzeitig mehrere Prismen hintereinander zur Lichtbrechung einzusetzen. Zudem konnte man die Anordnung der Prismen variieren. Das Licht wurde von einer Lichtquelle, beispielsweise von einer Flamme eines Bunsenbrenners, auf den Spalt am sogenannten Kollimationsfernrohr ("Kollimatorrohr", Inventarnummer 523) geleitet. Das Licht muss aus dessen Linse als paralleles Lichtbündel austreten: Dazu lässt sich das Spaltende fokussieren. Einen Spalt nutzt man, da der Spektralapparat sonst nur das Objekt selbst, in viele Farben verschmiert, abbilden würde. Nutzt man aber einen Spalt, der schmal genug ist, so erscheint sein Spektrum als Band, in dem sich viele Details ausmachen lassen - so zum Beispiel dunklere oder hellere Stellen. Anders als beim Aufbau eines üblichen Fernrohres fällt das Licht hier also nicht in die größte Linse des Rohrs, sondern tritt aus ihr heraus. Im Zentrum des Tisches waren nacheinander bis zu vier Prismen (Inv.-Nrn. 540, 542, 543, 544) auf nivellierbaren Untersätzen (Inv.-Nrn. 522T1-522T4) aufgestellt. Sie mussten manuell so gedreht und geneigt werden, dass das Licht aus dem letzten Prisma ins Objektiv des Beobachtungsfernrohrs (Inventarnummer 525) fiel. Der am Beobachtungsfernrohr eingestellte Winkel wurde schließlich mit einem Ablesefernrohr (Inventarnummer 524, an der Unterseite des Tisches) registriert: Es weist über einen Spiegel auf eine Skala, die man in einiger Entfernung vom Tisch aufstellte (sie ist nicht erhalten). Der Spiegel wiederum dreht sich mit dem Arm des Beobachtungsfernrohrs, mit dem er verbunden ist. Am Rand des Tisches war noch ein zusätzlicher "Kollimator" (ebenfalls nicht erhalten) montiert: in ihm war eine Skala angebracht, die über die Fläche des letzten Prismas ins Beobachtungsfernrohr eingespiegelt wurde - so waren kleine Linienabstände direkt bei der Beobachtung sichtbar und konnten gemessen werden, ohne das Ablesefernrohr nutzen zu müssen. Das Prisma am Spalt dient dazu, eine Referenzlichtquelle einzuspiegeln. Zum Beispiel konnte man so das Sonnenspektrum mit dem zu messenden Spektrum direkt vergleichen. Das gemessene Spektrum musste anhand bekannter Spektren geeicht werden. Spektralapparate sind im Prinzip so alt wie die Entdeckung der Spektrallinien selbst: Diese wurden als dunkle Linien im Spektrum der Sonne entdeckt. Joseph von Fraunhofer (1787-1826) nutzte sie ab 1811, um die Brechungseigenschaften verschiedener Glasproben zu vergleichen, denn die Linien stellten eine hochgenaue Referenz für bestimmte Lichtwellenlängen dar. Um dies für Messungen zu nutzen, war eine Kombination einer Prismenhalterung und eines Fernrohres mit einem sehr genauen Winkelmessinstrument nötig - dies wurde als Spektralapparat bezeichnet (vergleiche Fraunhofers Prismenspektralapparat, DMO Inventarnummer 4034).
Wie die Linien entstehen, war aber noch bis etwa 1860 unklar. Da man in Flammen, denen man chemische Stoffe beisetzte, helle Spektrallinien fand, lag eine Analogie zu den dunklen Linien im Sonnenspektrum nahe. Um allerdings genau herauszufinden, welche hellen und dunklen Linien sich entsprachen, musste man Spektralapparate bauen, die das Farbenband des Spektrums sehr stark aufweiteten. In den 1850er Jahren schien dies durch die Fortschritte in der Optik und Mechanik möglich, denn nötig war dafür gut transmittierendes, schlierenfreies Glas. Carl August Steinheil (1801-1870) konnte solches Glas verarbeiten. Die an der Spektroskopie interessierten Chemiker Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen besuchten Steinheil daher im Jahr 1856 und erneut 1859. Bei letzterem Besuch verhandelten sie über die Herstellung eines Spektralapparates. Kirchhoff und Bunsen konzipierten das Gerät mit Steinheil zusammen, so dass es die Prüfung ihrer Theorie erlaubte. Danach gehen die hellen Linien im Spektrum chemischer Stoffe auf die Emission von Licht zurück, während die dunklen Linien auf einer Absorption derselben Lichtwellenlänge durch das entsprechende Element in der Sonne beruhen. Helmut Franz zitiert dazu Steinheils Tagebuch vom 31.12.1859: "Den Prismenapparat für Kirchhoff und Bunsen näher berechnet" und am 1.1.1860: "Prismenapparat Bunsen construiert". Die Prismen wurden mit brechenden Winkeln von 60 Grad sowie drei mal 45 Grad entworfen. Die größeren Teile, also den Tisch mit Fuß, ließ Steinheil von der Maschinen- und Lokomotivfabrik Maffei in München herstellen. Kirchhoff war mit dem im Mai 1860 ausgelieferten Apparat zufrieden und bezahlte insgesamt 420 Gulden. In einer Broschüre, die er im November 1860 schrieb, erwähnte er Steinheils Apparat. Im Juni 1861 beschrieb Kirchhoff, wie die Elemente Cäsium und Rubidium mit einem solchen Instrument entdeckt wurden. Steinheil baute aufgrund der sich rasch ausbreitenden Spektralapparate weitere solche Instrumente, verkaufte diese allerdings künftig für 500 Gulden. Der Vorteil seines Prismenspektralapparats war, dass durch die vier hintereinander geschalteten Prismen eine viel stärkere Brechung als bei Geräten mit nur einem Prisma möglich wurde. Die Eigenschaften der Prismen zeigen, dass das Instrument noch auf der Tradition zuvor gefertigter Spektralapparate aufbaut: Damit diese ein breites Spektrum zeigten, nutzte man Prismen mit großen brechenden Winkeln um 60 Grad. Auch bei Steinheils neuem Apparat ist ein 60-Grad-Prisma enthalten, was möglicherweise auch der Vergleichbarkeit mit früheren Messungen geschuldet ist. Die zusätzlichen drei Prismen weisen allerdings mit 45 Grad geringere brechende Winkel auf. Dies hatte den Vorteil, dass weniger Licht an den Ein- und Austrittsflächen durch Reflexionen verloren ging. Steinheils Firma baute in den folgenden Jahren weitere solche Spektralapparate, allein bis zum Frühjahr 1861 zwölf Stück. Helmut Franz vermutet, dass Steinheils Umsatz durch die Nachfrage nach Spektralapparaten auf etwa das Doppelte anstieg und ein wichtiger Grund für den Umzug der Firma ins Münchner Zentrum im Jahr 1862 gewesen ist.