本发明公开了一种光学成像系统设计与图像信息重建联合优化方法及应用，该方法中，其中所述图像信息包含图像本身的空间位置信息，光谱信息等；所述光学成像系统包含空间光调制器件，探测器等。该方法将光学成像系统的设计与图像信息重建神经网络算法结合，通过计算输入图像信息与神经网络输出的图像信息之间的损失函数值，再利用梯度反向传播来优化光学成像系统的参数以及神经网络中的参数，从使得光学成像成像系统在该神经网络架构下获得最好的成像表现。该方法的优点是可以通过训练自动找到针对特定成像场景的最优光学成像系统参数以及最优神经网络参数，无需人为进行繁杂的光学设计及图像处理，并且可以大大提高了图像信息重建的质量。