颜色饱和度高且不易褪色的色彩显示技术一直是人类不断追求的目标,受到自然界中昆虫的启发,人类开启了对结构色的研究,与传统化学颜色相比,结构色具有显色持久和绿色环保的优点。近年来,随着纳米加工技术的进步,基于超表面调幅能力的结构色获得了大幅发展,但由于可调节参数过少使结构无法产生高饱和度和高亮度的色彩,并且在军事隐身和光学防伪领域缺少对具有显著色差的可控结构色的研究,这些都阻碍了结构色的进一步发展。针对上述问题,本文基于对结构色生色机理和微纳光学器件逆向设计原理的认识,旨在利用逆向设计的方式,针对不同应用场景,通过提升结构的设计自由度来分别设计出具有高饱和度和高色差的结构色器件,主要工作如下:1、对于不可控结构色,提出了一种用于结构色器件逆向设计的遗传算法以及一种基于全介电材料的超表面结构色,该算法克服了传统结构色设计过程中可调节参数过少的问题,提升了对光场的调控能力,并且实现了指定共振波长的优化。在算法中将超表面的预期共振波长分别设为630nm、550nm和440nm后,利用遗传算法对二氧化硅衬底上的硅纳米天线横截面进行逆向设计。经测试,共振波长处的反射率分别达到92%、83%和46%,对应的半峰全宽分别为124nm、81nm和33nm,实现了指定波长处的高饱和颜色反射且显示颜色优于传统设计方式设计的器件。所设计的结构色器件不仅具有较高的制造误差和入射角误差容忍性,且在水下环境工作时,指定波长处的反射效率分别达到86.9%、83.1%和36.9%。这些特性使所设计的结构色器件可在显示领域得到广泛应用,逆向设计的方式也为结构色设计提供了一个全新的设计思路。2、对于可控结构色,提出了一种基于相变材料的导模共振结构,该结构的硅光栅横截面形状和周期大小利用遗传算法进行逆向优化,使得结构能够在指定波长处产生共振,并且在相变材料发生相变后,产生具有较大差异性的颜色。经测试,当相变材料为结晶态时,通过逆向设计出的导模共振结构分别能在620nm、530nm和430nm波长处产生共振峰,反射效率达到了22.1%、28.6%和37.9%,半高宽分别为142nm、88nm和44nm。在相变材料转为非结晶态后,峰值波长的偏移分别达到219nm、170nm和270nm,同时波形产生了较大的变化,这些差异使结构产生了色差分别为23.39、15.77和35.42的颜色显示,结构对制造误差、入射角和入射光偏振角度展现出了较高的敏感性。所设计的结构色器件能够产生显著色差,在军事隐身和光学防伪领域具有巨大潜力。