传随着社会的发展,红外热成像技术广泛应用于快速体温检测、故障检测等生活场景中,然而现有的红外热像仪所采用的传统透镜模组受限于曲面调光的工作原理,空间利用率低下,难以适应小型化、微型化的设计需求。超表面作为一种亚波长尺寸的二维平面阵列结构,能够通过人工设计灵活调节电磁波的振幅、相位、偏振等物理参数,被认为是继折反射式光学元件、衍射光学元件之后的第三代新型光学元件。由超表面发展而来的超透镜基于广义斯涅耳定律中微结构引入的相位梯度实现光束偏折方向的调控作用,具有亚波长尺寸的厚度,从原理上解决了传统透镜曲面调光不利于小型化、微型化的问题,为红外成像系统的设计提供了一种超薄超轻的平面透镜替代方案。同时由于超透镜的制备与半导体工艺兼容,在实现片上集成的同时,还可以进行大规模制备,大大降低光学系统的制造成本。超透镜天然不具备球差,色差是影响超透镜成像质量的主要像差来源,怎样消除超透镜的色差是超透镜成像研究领域的一个重要课题。本文的研究集中于工作在长波红外的宽带消色差超透镜的设计,主要研究内容如下:（1）搭建了一套宽带消色差超透镜的设计流程,包括微观层面上基于超透镜相位分布函数的微结构单元仿真、微结构单元数据库的建立和优化以及宏观层面的宽带消色差超透镜整体的数值仿真和性能表征方法。当利用微观层面的单元组成超透镜并完成宏观上的超透镜性能的数值仿真后,根据仿真结果反推超透镜单元设计的合理性,进行反复优化,只到达到综合性能的最优结果。（2）采用了一种利用微结构单元本身的色散对超透镜成像公式的波长相关性引入的色散进行连续性补偿的超透镜宽带消色差方法,根据消色差原理推导了宽带消色差超透镜的相位分布函数。分析了微结构深宽比选择,采用了用一阶线性拟合提取微结构的相位-色散参数的仿真方法。针对8-12μm和10-12μm长波红外波段建立了用于消色差超透镜设计的周期为3μm和5μm的全硅微结构单元数据库。单元数据库的设计结果显示,数据库中的微结构单元均具有较高透过率,基本满足宽带消色差对应的“相位-色散”条件。（3）设计了三种不同技术指标的宽带消色差超透镜,包括:一种工作在8-12μm波长直径200μm数值孔径0.48的高效率长波红外宽带消色差超透镜,其轴向焦距漂移仅为4%,聚焦光斑接近衍射极限,平均聚焦效率达50%;一种工作在10-12μm波长直径1mm单元具有低深宽比的宽带消色差超透镜以及一种工作在1.4-1.6μm近红外波段的宽带消色差超透镜,经仿真验证,两者均达到近衍射极限的聚焦效果,平均聚焦效率分别为30%和40%。以时间带宽积为基准,将本文所设计的三种超透镜与现有的宽带消色差超透镜工作进行对比,验证了本文所设计的直径200μm高效率消色差超透镜整体性能的优越性。（4）验证了长波红外宽带消色差超透镜的工艺可行性,初步制备了工作在10-12μm波段,直径1mm的消色差超透镜,并对其工艺误差做了简要分析。