本发明公开了一种在凝视光谱扫描模式和视频快照光谱成像模式下操作的混合和扫描/快照光谱成像仪。在一组可选的临界光谱波段上进行快照光谱成像操作，包括基于机器学习的完整高光谱立方体的估计和视频速率显示的基础，而不损害空间分辨率。在凝视型扫描模式下进行操作，所公开的混合光谱成像仪在给定的调谐步骤和多个调谐步骤中获取一组窄波段图像，直到完成高光谱立方体采样为止。扫描操作可以用于最佳地配置快照操作，从而丢弃收集到的光谱中存在的多余信息。所公开的混合光谱成像仪包括易于小型化和低功率操作的实施例，从而允许将这些实施例集成到移动电话和计算机平台中。本发明旨在解决至少部分地包括无损检验、实时光谱和化学映射、无创诊断和光谱摄影的应用。