超表面是指由亚波长尺度单元排布成的人工微结构阵列,采用先进的微电子工艺在轻薄平板上制备。超表面的结构轻薄,有利于光学系统向轻量化、小型化、集成化方向发展。目前,关注度最高的就是能够实现聚焦的超透镜,然而超透镜色差往往都很严重,导致其工作带宽很窄。因此学者们提出了消色差超透镜的设计方法,但是受限于超表面的本身特性,消色差超透镜的口径往往很小。开展了基于超表面的相位调控理论的长波红外成像超透镜性能的仿真研究,提出并验证了折-超混合光学系统的设计方法。主要内容包括:基于电介质超表面的相位调控理论研究。开展了电介质超表面的传播型相位和几何型相位的研究工作,详细讨论了两种相位在超表面中应用的场景和使用限制。采用广义折射和反射定律,分析了超表面在两介质的交界平面引入相位突变的异常折射现象。根据广义折射和反射定律,分析了目前单波长超透镜以及消色差功能超透镜的设计方法,讨论了宽波段消色差功能超透镜设计方法中超表面单元的色散性质对于带宽、焦距、口径三个聚焦参数的限制关系。结构不同的超表面单元的相位及色散性质不同,采用不同的设计方法和相位类型得到的超透镜结构,其焦距、口径、工作带宽以及成像性能存在一定差异。单波长处设计的长波红外波段电介质超透镜,存在明显的色差。为了拓展超透镜的工作带宽,分别设计完成了基于两种相位原理的宽波段消色差功能的超透镜。通过仿真结果分析,在焦距和工作带宽确定的情况下,设计得到的消色差超透镜的口径很难继续增大。在带宽和焦距确定的情况下,为了尽可能增大超透镜的口径,提出了折-超混合光学成像系统的设计方法,其中折射透镜承担较大的光焦度,超表面承担部分光焦度。设计并加工完成了入瞳直径18mm、焦距26mm的折-超长波红外光学系统,实验测得混合光学的FWHM为22.43μm,接近于混合光学系统理论的20.99μm的FWHM,说明长波红外折-超混合系统达到实验预期效果,证明了长波红外折-超混合系统的设计方法的可行性。