随着人类文明的发展与科学的进步,人们对体积轻薄、性能优越的便携式或易穿戴的光学设备或系统的需求与日俱增,这大大提升了对光学平面元件的要求。然而,基于衍射光学和薄膜光学的平面元件其功能有限、单一且难以集成,难以满足应用需求。人工微结构材料平板透镜因具有可在微纳尺寸控制光束传输的特点,已成为微纳光学的研究热点。目前有关人工微结构材料平板透镜的研究主要围绕聚焦或成像质量进行优化,其尺寸或性能往往难以满足在无损检测、复杂光波调控等方面的应用。本文针对人工微结构材料平板透镜的应用需求和目前该类平板透镜难以满足无损检测等特殊领域的应用的矛盾,在人工微结构平板透镜设计及光学特性方面开展了一些研究工作,主要工作如下:1.设计了一种大物距超分辨率平板透镜并研究了其成像特性。首先,利用负折射理论研究了梯度等效介质(GEM)平板透镜的成像,研究结果表明GEM平板透镜能突破物距限制。然后,基于对GEM成像特性的分析,我们通过等频面理论设计了一种梯度光子晶体(GPC)平板透镜。该GPC平板透镜能在2d到5d物距范围内突破衍射极限,实现超分辨率成像,5d物距下分辨率可达0.4λ。此外,该平板透镜还具有像点尺寸(半高全宽)不随物距的增加而增大且能实现离轴点光源大物距成像等特性。该研究结果能为构建大物距、小尺寸平板透镜提供有价值的参考,在光学集成器件方面有重要的应用前景。2.基于广义斯奈尔定律设计了一种双层超表面平板透镜。通过使两个超表面的相位延迟相互关联,实现了双层超表面平板透镜的光非对称传输和聚焦。考虑到右侧超表面的中间区域未能参与聚焦、参与聚焦的光波的成分较少、所实现的光非对称聚焦旁瓣较大等问题,我们对双层超表面平板透镜设计进行了优化。优化后的双层超表面平板透镜在保证非对称传输的同时可实现近无旁辨亚波长聚焦。而且,该特性在宽频带范围有效。研究结果在光学微纳加工、量子通信、光学微操纵以及显微成像等领域具有极其重要的应用前景。