本文提出了一种离轴超构透镜的设计方法，并分析了不同数值孔径、离轴角度等参数对于离轴超构透镜的光谱分辨率、聚焦效率以及仿真结果的影响。利用Lumerical软件分别仿真了参数为NA=0.408、 α=13°；NA=0.180、α=13°及NA=0.408 α=20°等多个离轴超构透镜。仿真结果表明：离轴角度与光谱分辨率大小成正相关，离轴角度越大，光谱分辨能力越强，但聚焦效率越低；数值孔径越小，相位分布的覆盖范围越小，会导致仿真聚焦位置与理论值偏差变大。设计者需要根据需求合理平衡数值孔径、离轴角度等参数，最终实现理想效果。本文得出的结论对离轴超构透镜的理论分析和实际应用中的参数设计具有重要参考价值。

超表面是一种基于亚波长各向异性单元结构的超薄平面光学器件，能够在微观尺度下调制电磁波相位、偏振和振幅等，从而实现波前的任意调控。超构透镜作为超表面走向实用化的重要代表，凭借其超强的光波操控能力、超紧凑结构、多功能性及与半导体工艺兼容等突出优点，引起了研究学者的极大兴趣。然而，已报道的超构透镜受限于相位分布设计，难以同时实现偏振复用及强度可调谐聚焦功能；且结构一旦确定，其电磁性能就被锁定，在灵活调制电磁波方面受到很大限制。为此，文中从各向异性单元结构的设计和优化入手，协同PB相位和传输相位，设计了两种能够在不同空间取向（横向和纵向）上实现自旋分裂的Ge₂Sb₂Se₄Te₁ (GSST) 相变超构透镜。通过改变入射圆偏振光的椭偏度，两超构透镜均可实现强度可调谐聚焦性能；通过调控相变材料Ge₂Sb₂Se₄Te₁从非晶态逐渐转变为结晶态，两超构透镜均可实现聚焦性能的连续调谐并最终达到“ON”和“OFF”的动态切换。所设计的自旋依赖强度可调谐相变超构透镜有望在多成像系统、机器视觉和显微成像等领域发挥重要作用。

超表面是一种空间变化的超薄纳米结构，在光学超分辨聚焦透镜或系统中已经得到广泛研究和应用。然而，随着超构透镜聚焦光斑缩小，不可避免产生大旁瓣，限制了透镜视场和应用潜力。本文提出了一种设计大数值孔径(NA=0.944)超分辨弱旁瓣超构透镜的方法。针对波长λ=632.8 nm的圆偏振光，基于硅基超表面PB相位调控，实现了超分辨弱旁瓣点聚焦超构透镜。实验证明，可以实现聚焦光斑半高全宽FWHM=0.45λ，小于衍射极限0.53λ(衍射极限为0.5λ/NA)，旁瓣比Sidelobe Ratio (SR)=0.07。该透镜的应用有望实现超分辨光学器件或系统微型化、轻量化和集成化。

中红外成像器件，特别是工作于大气窗口（3~5 μm和8~12 μm）的成像器件，在红外成像与探测方面具有重要应用。传统的中红外成像器件笨重、昂贵、工艺复杂，阻碍了未来轻量化和集成化的发展。由亚波长尺度的微纳米结构以周期或非周期的方式阵列而成的超构透镜，具有轻薄、易集成、多功能化的特性，为未来微型化的需求提供了新的可能性。本文对中红外波段的超构透镜研究进展进行了综述，介绍了超构透镜的基本相位调控方式及其在中红外实现高聚焦效率、消除色差和单色像差的机理，并整理了中红外超构透镜的成像应用，包括偏振相关成像、可调及可重构成像与其他一些成像应用，最后讨论了这一新兴领域的挑战及未来的发展前景。

由微纳结构阵列构建的超构透镜体积小、质量轻，通过复合结构可实现多功能化设计，其口径一般为微米量级，对于诸如厘米级口径的超构透镜，其含有的微纳结构单元数量达到数十亿个。如果采用逐一建模的方式绘制这些微纳结构，必然导致版图文件过大，以至图形绘制时间长以及版图无法打开。为了解决此问题，基于版图设计软件L-Edit提出环状布局的超构透镜设计方法，采用二进制与库调用相结合的方法绘制超构透镜每个圆环中构建单元阵列，从而实现大口径超构透镜版图文件的有效压缩。研究结果表明：设计的超构透镜实现了亚波长聚焦；针对口径为50 mm的超构透镜，利用本文提出的版图绘制压缩方法，其版图文件大小为176 MB，远小于采用逐一建模绘制方式生成的版图文件（3.70 TB），实现了大口径超构透镜版图设计文件海量数据的高效压缩，从而保证了大口径超构透镜元件设计的可制造性。

在消色差的结构优化中，超构透镜的尺寸、消色差带宽及数值孔径具有内在制约关系，很难获得高效率的大尺寸消色差透镜。离散波长消色差设计将打破宽带消色差的参数制约，有望获得更高效率的成像性能。本文通过引入相位色散空间的概念，理论上阐明了离散波长消色差的效率变化规律，证明了离散波长消色差超构透镜在聚焦效率上优于宽带消色差超构透镜。计算结果表明，双波长消色差超构透镜效率大概为宽带消色差超构透镜的4倍，相关结果通过设计相应的超构透镜进行仿真模拟得到验证。进一步揭示并解释了离散波长消色差的聚焦效率会随消色差的频率间隔增大呈现出先下降后上升的规律。