CN113155284B - 一种折衍射混合的光谱编码成像系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种折衍射混合的光谱编码成像系统和方法。本发明的系统中编码衍射元件、正透镜和探测器沿光轴依次放置，编码衍射元件的未编码的端面与正透镜接触固定连接并形成折衍射混合模块，折衍射混合模块的焦平面处放置有探测器；入射光线依次经编码衍射元件和正透镜会聚后在探测器上进行成像。方法采用以上系统，标定获得不同波段下的点扩散函数，获得光谱混叠初始图像；利用高光谱图像重建网络算法对光谱混叠初始图像进行处理，得到不同波段下的高光谱图像。本发明的折衍射混合模块有效缩短成像系统的后截距，在保证后截距较短的同时，缩小成像系统在各个波段的点扩散函数尺度，提高成像系统的空间分辨率，谱段适用范围宽，鲁棒性高。
Description
技术领域
本发明属于光谱成像技术的一种光谱编码成像系统和方法，具体涉及一种折衍射混合的光谱编码成像系统和方法。
背景技术
光谱成像技术是一种新型的利用单个或多个光谱通道进行光谱数据采集和处理、图像显示和分析解释的技术。由于光谱成像结合了光谱学和成像技术，所以其兼具了光谱和成像的优势，目前在航空航天、遥感探测、军事侦察等领域发挥着至关重要的作用。
目前光谱成像系统主要面临以下几个技术难点：第一，推扫式和摆扫式的系统结构过于庞大复杂，无法匹配航空、航天领域小型化、轻量化的要求。第二，由于系统的局限性，无论是推扫还是摆扫都需要时间，导致无法得到同一时刻的光谱图像，缺少时效性。
2017年Baek等人提出了第一个紧凑快照光谱成像的方法，通过在单反相机前安装一个棱镜，利用图像边缘的色散捕获光谱信息。然而他的方法是基于传统方法的优化，同时棱镜分光难以量化。
2019年Kim等人提出了基于旋转衍射的紧凑型快照光谱成像，相比于棱镜作为分光谱器件的快照式高光谱系统，衍射元件作为分光谱器件的系统，光谱区分更为有规律，且区分的更为清晰。但衍射元件设计的结构更为复杂，不利于加工，而加工误差会影响图像的重建效果。同时该系统对点扩散函数的标定需要很大的空间和极佳的暗室环境，提高了点扩散函数标定的难度，也影响了标定的准确性。且该系统的光谱范围限制在420nm-660nm，谱段不够广。
在上述的基于旋转衍射的紧凑型快照光谱成像系统中，衍射元件口径有限，光通量小，所需曝光时间较长，保持系统F数不变的前提下，增大口径提升通光量的同时又会带来焦距增加等问题，由此限制了系统的空间分辨率和高光谱成像帧率。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，针对已提出的基于旋转衍射的紧凑型快照光谱成像系统中存在的衍射元件口径有限，所需曝光时间长，衍射元件焦距过长，空间分辨率较低等问题。本发明将传统透镜与衍射元件组合，提出了一种折衍射混合的光谱编码成像系统和方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一、一种折衍射混合的光谱编码成像系统
系统包括编码衍射元件、正透镜和探测器；
编码衍射元件、正透镜和探测器沿光轴依次放置，编码衍射元件的未编码的端面与正透镜接触固定连接，编码衍射元件和正透镜两者组成折衍射混合模块，折衍射混合模块的焦平面处放置有探测器；入射光线依次经编码衍射元件和正透镜会聚后在探测器上进行成像。
所述编码衍射元件为利用相长干涉波长排布方式对原始衍射元件进行处理后，再利用衍射成像的原理对处理后的原始衍射元件进行编码获得；
所述相长干涉波长排布方式具体为：
在原始衍射元件工作的波长范围中选择所需波长范围[λmin,λmax]，原始衍射元件的焦距fDOE，原始衍射元件的直径D；
然后，以(λmax-λmin)/N为间隔将所需波长范围[λmin,λmax]分为N个波段，每个波段的中心波长作为当前波段的采样波长，将所有波段的采样波长均布在直径为D的圆的一个半圆上，直径为D的圆的另一个半圆与直径为D的圆的一个半圆关于圆心对称，半圆中一条半径上的采样波长相同且沿圆周方向采样波长依次递减或者递增，半圆中相同的采样波长为一块扇形区域，形成相长干涉波长排布方式。
所述正透镜的焦距flens通过以下公式进行设置：
其中，z为折衍射混合模块所需的像方焦距，fDOE为编码衍射元件的焦距。
二、一种折衍射混合的光谱编码成像方法
方法包括如下步骤：
(1)利用相长干涉波长排布方式对原始衍射元件进行编码，获得编码衍射元件5；
(2)将编码衍射元件的未编码的端面与正透镜接触固定连接并形成折衍射混合模块；
(3)利用折衍射混合模块搭建标定点扩散函数的成像系统，并进行光谱标定实验，获得不同波段的点扩散函数；
(4)利用折衍射混合模块搭建折衍射混合的光谱编码成像系统，并进行图像采集实验，获得光谱混叠初始图像；
(5)根据不同波段的点扩散函数，利用高光谱图像重建网络算法对光谱混叠初始图像进行处理，得到不同波段下的高光谱图像。
所述步骤(1)具体为：
(1.1)在原始衍射元件工作的波长范围中选择所需波长范围[λmin,λmax]，原始衍射元件的焦距fDOE，原始衍射元件的直径D；
(1.2)以(λmax-λmin)/N为间隔将所需波长范围[λmin,λmax]分为N个波段，每个波段的中心波长作为当前波段的采样波长，将所有波段的采样波长均布在直径为D的圆的一个半圆上，直径为D的圆的另一个半圆与直径为D的圆的一个半圆关于圆心对称，半圆中一条半径上的采样波长相同且沿圆周方向采样波长依次递减或者递增，半圆中相同的采样波长为一块扇形区域，形成相长干涉波长排布方式，利用相长干涉波长排布方式对原始衍射元件进行处理，获得处理后的原始衍射元件；
(1.3)利用衍射成像的原理对处理后的原始衍射元件进行编码，获得编码衍射元件。
所述步骤(3)具体为：
(3.1)利用折衍射混合模块搭建标定点扩散函数的成像系统，标定点扩散函数的成像系统包括宽谱光源、针孔、平行光管、滤光片、折衍射混合模块和探测器；
宽谱光源、平行光管、滤光片、折衍射混合模块和探测器沿光轴依次放置，在平行光管的焦平面中心设置有针孔，探测器放置在折衍射混合模块的焦平面处；
(3.2)更换不同波段的滤光片进行光谱标定实验，获得不同波段的各自点扩散函数。
所述步骤(4)具体为：
利用折衍射混合模块搭建折衍射混合的光谱编码成像系统，折衍射混合的光谱编码成像系统包括折衍射混合模块和探测器，探测器放置在折衍射混合模块的焦平面处；利用折衍射混合的光谱编码成像系统进行图像采集实验，获得光谱混叠初始图像。
所述步骤(5)具体为：
高光谱图像重建网络算法下对光谱混叠图像的迭代优化通过如下公式进行设置：
其中，Iλ (l+1)表示在波长λ下第l+1次迭代后光谱混叠复原图像，Vλ (l)表示在波长λ下第l次迭代后的光谱优化变量，ψλ表示在波长λ下的点扩散函数，
表示卷积操作，
表示在波长λ下第l次迭代后光谱混叠复原图像，
表示当f(x)取得最小值时，x的取值；
表示二范数的平方，
是惩罚系数，jλ表示在波长λ下的光谱混叠子图像，J表示光谱混叠初始图像；
将在波长λ下第l+1次迭代后光谱混叠复原图像
作为波长λ所在波段的高光谱图像，在波长λ下第l+1次迭代后光谱混叠复原图像
为：
其中，ε是梯度下降的步长，T表示对矩阵进行转置，Iλ (l)表示在波长λ下第l次迭代后光谱混叠复原图像，Vλ (l)表示在波长λ下第l次迭代后的中间变量；
其中，在波长λ下第l次迭代后的光谱优化变量Vλ (l)的获取具体为：将在波长λ下第l次迭代后光谱混叠复原图像
输入神经网络训练，神经网络的输出作为在波长λ下第l次迭代后的光谱优化变量Vλ (l)。
所述相长干涉波长排布方式通过以下公式进行设置：
其中，λ(r,θ)表示原始衍射元件在极径r、极角θ的极坐标下的波长，r表示极径，θ表示极角，λmin和λmax是所需波长范围[λmin,λmax]的波长最小值和最大值，D是原始衍射元件的直径，round[·]表示四舍五入取整数操作。
所述步骤(1.3)利用衍射成像的原理对处理后的原始衍射元件进行编码主要通过以下公式进行设置：
Δφ＝2πn
其中，Δφ表示光线从原始衍射元件不同位置入射，会聚在像面中心位置的光程差，h0是原始衍射元件的初始高度，Δηλ是在波长λ下，原始衍射元件的折射率与空气折射率的差值；fDOE是原始衍射元件的焦距；n表示整数，Δh(r,θ)表示在极径为r极角为θ处原始衍射元件高度的变化值，h(r,θ)表示在极径为r极角为θ处原始衍射元件编码后的高度，r表示极径，θ表示极角。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明方法整体结构只需一片具有编码的衍射元件、一片正透镜以及一个彩色CMOS探测器，很大程度上实现了光谱成像系统的小型化和轻量化；
(2)本发明方法获取图像和光谱信息在一次曝光时间内完成，具有时效性；
(3)本发明将离散的采样波长分布在半圆上，相比于分布在120度的扇形或者90度的扇形上，标定出点扩散函数之间的差异更大，更利于重建效果的提升；同时离散的采样波长中心对称的设计也有利于重建的鲁棒；
(4)本发明将折射透镜和衍射元件组合在一起，构成折衍射混合的光学系统，有利于增大系统的通光孔径，缩短系统的像方工作距离，缩小点扩散函数尺寸，提升系统的空间分辨率；
(5)本发明的工作谱段可以扩展至460nm～710nm，覆盖谱段更广，适用范围更大。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为折衍射混合的光谱编码成像方法的流程示意图。
图2为离散的相长干涉波长排布方式示意图。
图3为本发明的编码衍射元件示意图。
图4为折衍射混合的光谱编码成像系统模型图。
图5为标定点扩散函数的成像系统示意图。
图6为折衍射混合的光谱编码成像系统示意图。
图7为焦距为50mm的编码衍射元件在各个波段的点扩散函数仿真图像。
图8为焦距为10mm的编码衍射元件在各个波段的点扩散函数仿真图像。
图9为焦距为50mm的编码衍射元件和焦距为12.5mm的正透镜组合后的折衍射混合的光谱编码成像系统在各个波段的点扩散函数仿真图像。
图10为高光谱图像重建算法流程示意图。
图11为Unet网络结构示意图。
图12为高光谱混叠复原图像的示例图。
图中：1、宽谱光源，2、针孔，3、平行光管，4、滤光片，5、编码衍射元件，6、正透镜，7、探测器。
具体实施方式
如图6所示，光谱编码成像系统包括编码衍射元件5、正透镜6和探测器7；
编码衍射元件5、正透镜6和探测器7沿光轴依次放置，编码衍射元件5的未编码的端面与正透镜6紧密接触固定连接，编码衍射元件5和正透镜6两者组成折衍射混合模块，折衍射混合模块的焦平面处放置有探测器7；入射光线依次经编码衍射元件5和正透镜6会聚后在探测器7上进行成像。
如图2和3所示，编码衍射元件5为利用相长干涉波长排布方式对原始衍射元件进行处理后，再利用衍射成像的原理对处理后的原始衍射元件进行编码获得，编码衍射元件5的焦距与原始衍射元件的焦距相同；
如图4所示，取垂直于光轴，且与正透镜6靠近探测器一端曲面相切的平面到传感器平面的距离为z，即折衍射组合系统的像方焦距为z，未添加正透镜6前，编码衍射元件5的焦距为fDOE，则成像模型中有如下关系：
设输入光场复振幅为u0(x',y')，可以表示为：
其中A(x',y')为振幅，φ0(x',y')为相位。
经过编码衍射元件5的相位调制作用之后，光场复振幅变为：
其中φh(x',y')为编码衍射元件5的相位调制项，正透镜6在成像模型中也相当于添加了一个相位因子，则垂直于光轴，且与正透镜6靠近探测器一端曲面相切的平面上，光场复振幅可以表示为：
其中
若入射光场为平面波，即
则紧靠正透镜6后表面的平面上，光场复振幅可以进一步表示为：
随后由菲涅尔衍射定律得到传感器平面的光场：
其中k＝2π/λ是波数，将u2(x',y')代入并化简可以得到光场的傅里叶变换形式：
相应地可以得到当前波长下的点扩散函数：
同理也可以推导得到不添加正透镜6时的像面上的点扩散函数：
对比添加正透镜6前后的点扩散函数pλ(x,y)和p'λ(x,y)不难发现，当满足
时，添加正透镜6不会影响点扩散函数的大小，但是会将像方的成像距离由fDOE缩小至z，这在增大光学系统进光量的时候是非常有用的。
编码衍射元件5的焦距确定后，像方成像距离主要由正透镜6的焦距决定，正透镜6的焦距flens的计算方法为：
其中，z为折衍射混合模块所需的像方焦距，fDOE为编码衍射元件5的焦距。
在将正透镜6及编码衍射元件5进行组合时，两者表面紧靠，入射光线先经过编码衍射元件5，随后经过正透镜6，最终会聚在像面的传感器上。
如图1所示，光谱编码成像方法包括如下步骤：
(1)利用相长干涉波长排布方式对原始衍射元件进行编码，获得编码衍射元件5；
步骤(1)具体为：
(1.1)在原始衍射元件工作的波长范围中选择所需波长范围[λmin,λmax]，原始衍射元件的焦距fDOE，原始衍射元件的直径D；
(1.2)以(λmax-λmin)/N为间隔将所需波长范围[λmin,λmax]分为N个波段，每个波段的中心波长作为当前波段的采样波长，将所有波段的采样波长均布在直径为D的圆的一个半圆上，直径为D的圆的另一个半圆与直径为D的圆的一个半圆关于圆心对称，半圆中一条半径上的采样波长相同且沿圆周方向采样波长依次递减或者递增，半圆中相同的采样波长为一块扇形区域，形成相长干涉波长排布方式，利用相长干涉波长排布方式对原始衍射元件进行处理，获得处理后的原始衍射元件；
相长干涉波长排布方式通过以下公式进行设置：
其中，λ(r,θ)表示原始衍射元件在极径r、极角θ的极坐标下的波长，r表示极径，θ表示极角，λmin和λmax是所需波长范围[λmin,λmax]的波长最小值和最大值，D是原始衍射元件的直径，round[·]表示四舍五入取整数操作。
(1.3)利用衍射成像的原理对处理后的原始衍射元件进行编码，获得编码衍射元件5。
步骤(1.3)利用衍射成像的原理对处理后的原始衍射元件进行编码主要通过以下公式进行设置：
Δφ＝2πn
其中，Δφ表示光线从原始衍射元件不同位置入射，会聚在像面中心位置的光程差，h0是原始衍射元件的初始高度，Δηλ是在波长λ下，原始衍射元件的折射率与空气折射率的差值；fDOE是原始衍射元件的焦距；n表示整数，Δh(r,θ)表示在极径为r极角为θ处原始衍射元件高度的变化值，h(r,θ)表示在极径为r极角为θ处原始衍射元件编码后的高度，r表示极径，θ表示极角。
(2)将编码衍射元件5的未编码的端面与正透镜6紧密接触固定连接并形成折衍射混合模块；编码衍射元件5和正透镜6的光轴同轴；
(3)利用折衍射混合模块搭建标定点扩散函数的成像系统，并进行光谱标定实验，获得不同波段的点扩散函数；
如图5所示，步骤(3)具体为：
(3.1)利用折衍射混合模块搭建标定点扩散函数的成像系统，标定点扩散函数的成像系统包括宽谱光源1、针孔2、平行光管3、滤光片4、折衍射混合模块和探测器7；其中，宽谱光源1的发光谱段范围要求从300nm连续覆盖至900nm，且保证在每个波长都有光被射出；针孔2的直径小于100um；滤光片4为带通滤光片，带宽为10nm；探测器7为RGB的CMOS传感器，响应波段为300nm～900nm。
宽谱光源1、平行光管3、滤光片4、折衍射混合模块和探测器7沿光轴依次放置，在平行光管3的焦平面中心设置有针孔2，探测器7放置在折衍射混合模块的焦平面处；
(3.2)更换不同波段的滤光片4进行光谱标定实验，不同波段之间互相没有重叠，每个滤光片(4)的带宽长度是10nm，在传感器上采集获得不同波段的各自点扩散函数，460nm～710nm的点扩散函数如图9所示，从图中可以观察到不同波段的点扩散函数在形状上相似，但是不同波段之间的点扩散函数存在着一定角度的旋转。
(4)利用折衍射混合模块搭建折衍射混合的光谱编码成像系统，并进行图像采集实验，获得低分辨率的光谱混叠初始图像；
步骤(4)具体为：
利用折衍射混合模块搭建折衍射混合的光谱编码成像系统，折衍射混合的光谱编码成像系统包括折衍射混合模块和探测器7，探测器7放置在折衍射混合模块的焦平面处；利用折衍射混合的光谱编码成像系统进行图像采集实验，获得低分辨率的光谱混叠初始图像。
(5)根据不同波段的点扩散函数，利用高光谱图像重建网络算法对光谱混叠初始图像进行处理，得到不同波段下的高光谱图像，如图12所示。
步骤(5)具体为：
高光谱图像重建网络算法下对光谱混叠图像的迭代优化通过如下公式进行设置：
其中，Iλ (l+1)表示在波长λ下第l+1次迭代后光谱混叠复原图像，Vλ (l)表示在波长λ下第l次迭代后的光谱优化变量，ψλ表示在波长λ下的点扩散函数，
表示卷积操作，
表示在波长λ下第l次迭代后光谱混叠复原图像，
表示当f(x)取得最小值时，x的取值；
表示二范数的平方，
是惩罚系数，jλ表示在波长λ下的光谱混叠子图像，J表示光谱混叠初始图像；
将在波长λ下第l+1次迭代后光谱混叠复原图像
作为波长λ所在波段的高光谱图像，在波长λ下第l+1次迭代后光谱混叠复原图像
为：
其中，ε是梯度下降的步长，T表示对矩阵进行转置，Iλ (l)表示在波长λ下第l次迭代后光谱混叠复原图像，Vλ (l)表示在波长λ下第l次迭代后的中间变量；
其中，在波长λ下第l次迭代后的光谱优化变量Vλ (l)的获取具体为：将在波长λ下第l次迭代后光谱混叠复原图像
输入神经网络训练，神经网络的输出作为在波长λ下第l次迭代后的光谱优化变量Vλ (l)。
由于采集到的图像只有R、G、B三个通道，目标在于恢复多个谱段的图像，所以这是一个病态的问题，本发明中使用了网络的方法来进行重建。算法的流程图如图10所示，具体描述为：
(5.1)输入光谱混叠图像jλ以及标定得到的点扩散函数ψλ；
(5.2)初始化得到第0次迭代后的光谱混叠复原图像
赋值的原则是：在波长λ下，R通道、G通道、B通道三个通道中光谱响应最大的通道下的混叠图像作为初始赋值的图像；
(5.3)将波长λ下第l次迭代后的光谱混叠复原图像
输入如图11所示的Unet网络，Unet网络的输出作为在波长λ下第l次迭代后的光谱优化变量
其中Unet网络的具体结构已利用高光谱数据集预训练好了；
(5.4)利用下式计算波长λ下第l+1次迭代后的光谱混叠复原图像：
其中ε是梯度下降的步长，T表示矩阵转置，
是惩罚系数，
是波长λ下第l次迭代后的光谱混叠复原图像；
(5.5)重复步骤(5.3)-(5.4)直至达到迭代次数，具体实施例中迭代次数为4次。
本发明将编码衍射元件5与正透镜6组合在一起构成了折衍射混合的光谱编码成像系统，能够有效缩短系统的像方成像距离，当需要在保持系统F数的前提下增大系统的通光孔径时，系统的焦距也会随着增大，此时折衍射混合系统的优越性就能得到体现。
为了测试本发明，首先对添加正透镜6前后的各个波段的点扩散函数进行对比，在仿真实验中，设置了三组实验：分别标定焦距为50mm的编码衍射元件5单独成像的点扩散函数、焦距为10mm的编码衍射元件5单独成像的点扩散函数以及焦距为50mm的编码衍射元件5与焦距为12.5mm的正透镜6组合成折衍射混合系统的点扩散函数。其中值得注意的是
即折衍射混合系统最后的成像距离同样是10mm。
焦距为10mm的编码衍射元件5单独成像的点扩散函数如图8所示，焦距为50mm的编码衍射元件5单独成像的点扩散函数如图7所示，对比可以发现，焦距为10mm的编码衍射元件5点扩散函数在各个波段的点扩散函数都超出了观察范围，焦距为50mm的编码衍射元件5点扩散函数在各个波段的尺度都更小，意味着系统的空间分辨率更高，但是焦距为50mm的编码衍射元件5所需要的像方成像距离更大；50mm编码衍射元件5与12.5mm正透镜6组合成的折衍射混合系统在各个波段的点扩散函数如图9所示，通过对比可以发现，折衍射混合系统既具备成像距离短的优点，同时也具备了点扩散函数尺度小，空间分辨率高的特点，与此同时还能用于增加系统的进光量，缩短曝光时间。
利用方法重建得到的光谱混叠复原图像如图12所示，高光谱图像的光谱分辨率为10nm。
Claims (7)
1.一种折衍射混合的光谱编码成像系统，其特征在于：包括编码衍射元件(5)、正透镜(6)和探测器(7)；
编码衍射元件(5)、正透镜(6)和探测器(7)沿光轴依次放置，编码衍射元件(5)的未编码的端面与正透镜(6)接触固定连接，编码衍射元件(5)和正透镜(6)两者组成折衍射混合模块，折衍射混合模块的焦平面处放置有探测器(7)；入射光线依次经编码衍射元件(5)和正透镜(6)会聚后在探测器(7)上进行成像；
所述编码衍射元件(5)为利用相长干涉波长排布方式对原始衍射元件进行处理后，再利用衍射成像的原理对处理后的原始衍射元件进行编码获得；
所述相长干涉波长排布方式具体为：
在原始衍射元件工作的波长范围中选择所需波长范围[λmin,λmax]，原始衍射元件的焦距fDOE，原始衍射元件的直径D；
然后，以(λmax-λmin)/N为间隔将所需波长范围[λmin,λmax]分为N个波段，每个波段的中心波长作为当前波段的采样波长，将所有波段的采样波长均布在直径为D的圆的一个半圆上，直径为D的圆的另一个半圆与直径为D的圆的一个半圆关于圆心对称，半圆中一条半径上的采样波长相同且沿圆周方向采样波长依次递减或者递增，半圆中相同的采样波长为一块扇形区域，形成相长干涉波长排布方式。
2.根据权利要求1所述的一种折衍射混合的光谱编码成像系统，其特征在于：所述正透镜(6)的焦距flens通过以下公式进行设置：
其中，z为折衍射混合模块所需的像方焦距，fDOE为编码衍射元件(5)的焦距。
3.一种折衍射混合的光谱编码成像方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)利用相长干涉波长排布方式对原始衍射元件进行编码，获得编码衍射元件(5)；
(2)将编码衍射元件(5)的未编码的端面与正透镜(6)接触固定连接并形成折衍射混合模块；
(3)利用折衍射混合模块搭建标定点扩散函数的成像系统，并进行光谱标定实验，获得不同波段的点扩散函数；
(4)利用折衍射混合模块搭建折衍射混合的光谱编码成像系统，并进行图像采集实验，获得光谱混叠初始图像；
(5)根据不同波段的点扩散函数，利用高光谱图像重建网络算法对光谱混叠初始图像进行处理，得到不同波段下的高光谱图像；
所述步骤(1)具体为：
(1.1)在原始衍射元件工作的波长范围中选择所需波长范围[λmin,λmax]，原始衍射元件的焦距fDOE，原始衍射元件的直径D；
(1.2)以(λmax-λmin)/N为间隔将所需波长范围[λmin,λmax]分为N个波段，每个波段的中心波长作为当前波段的采样波长，将所有波段的采样波长均布在直径为D的圆的一个半圆上，直径为D的圆的另一个半圆与直径为D的圆的一个半圆关于圆心对称，半圆中一条半径上的采样波长相同且沿圆周方向采样波长依次递减或者递增，半圆中相同的采样波长为一块扇形区域，形成相长干涉波长排布方式，利用相长干涉波长排布方式对原始衍射元件进行处理，获得处理后的原始衍射元件；
(1.3)利用衍射成像的原理对处理后的原始衍射元件进行编码，获得编码衍射元件(5)；
所述步骤(3)具体为：
(3.1)利用折衍射混合模块搭建标定点扩散函数的成像系统，标定点扩散函数的成像系统包括宽谱光源(1)、针孔(2)、平行光管(3)、滤光片(4)、折衍射混合模块和探测器(7)；
宽谱光源(1)、平行光管(3)、滤光片(4)、折衍射混合模块和探测器(7)沿光轴依次放置，在平行光管(3)的焦平面中心设置有针孔(2)，探测器(7)放置在折衍射混合模块的焦平面处；
(3.2)更换不同波段的滤光片(4)进行光谱标定实验，获得不同波段的各自点扩散函数。
4.根据权利要求3所述的一种折衍射混合的光谱编码成像方法，其特征在于：所述步骤(4)具体为：
利用折衍射混合模块搭建折衍射混合的光谱编码成像系统，折衍射混合的光谱编码成像系统包括折衍射混合模块和探测器(7)，探测器(7)放置在折衍射混合模块的焦平面处；利用折衍射混合的光谱编码成像系统进行图像采集实验，获得光谱混叠初始图像。
5.根据权利要求3所述的一种折衍射混合的光谱编码成像方法，其特征在于：所述步骤(5)具体为：
高光谱图像重建网络算法下对光谱混叠图像的迭代优化通过如下公式进行设置：
其中，Iλ (l+1)表示在波长λ下第l+1次迭代后光谱混叠复原图像，Vλ (l)表示在波长λ下第l次迭代后的光谱优化变量，ψλ表示在波长λ下的点扩散函数，
表示卷积操作，
表示在波长λ下第l次迭代后光谱混叠复原图像，
表示当f(x)取得最小值时，x的取值；
表示二范数的平方，
是惩罚系数，jλ表示在波长λ下的光谱混叠子图像，J表示光谱混叠初始图像；
将在波长λ下第l+1次迭代后光谱混叠复原图像
作为波长λ所在波段的高光谱图像，在波长λ下第l+1次迭代后光谱混叠复原图像
为：
其中，ε是梯度下降的步长，T表示对矩阵进行转置，Iλ (l)表示在波长λ下第l次迭代后光谱混叠复原图像，Vλ (l)表示在波长λ下第l次迭代后的中间变量；
其中，在波长λ下第l次迭代后的光谱优化变量Vλ (l)的获取具体为：将在波长λ下第l次迭代后光谱混叠复原图像
输入神经网络训练，神经网络的输出作为在波长λ下第l次迭代后的光谱优化变量
6.根据权利要求3所述的一种折衍射混合的光谱编码成像方法，其特征在于：所述相长干涉波长排布方式通过以下公式进行设置：
其中，λ(r,θ)表示原始衍射元件在极径r、极角θ的极坐标下的波长，r表示极径，θ表示极角，λmin和λmax是所需波长范围[λmin,λmax]的波长最小值和最大值，D是原始衍射元件的直径，round[·]表示四舍五入取整数操作。
7.根据权利要求3所述的一种折衍射混合的光谱编码成像方法，其特征在于：所述步骤(1.3)利用衍射成像的原理对处理后的原始衍射元件进行编码主要通过以下公式进行设置：
Δφ＝2πn
其中，Δφ表示光线从原始衍射元件不同位置入射，会聚在像面中心位置的光程差，h0是原始衍射元件的初始高度，Δηλ是在波长λ下，原始衍射元件的折射率与空气折射率的差值；fDOE是原始衍射元件的焦距；n表示整数，Δh(r,θ)表示在极径为r极角为θ处原始衍射元件高度的变化值，h(r,θ)表示在极径为r极角为θ处原始衍射元件编码后的高度，r表示极径，θ表示极角，λ(r,θ)表示原始衍射元件在极径r、极角θ的极坐标下的波长。
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