近年来,光学成像系统正朝着集成化、轻量化、小型化的方向快速发展。传统的折射式光学系统,建立在几何光学基础之上,其性能表达严格依赖于光学元件的材料色散特性、几何形状和面形精度等特征,在适应轻量化、自由化、扁平化的新需求过程中遇到了诸多困难。超透镜（Metalens）作为一种新兴的平面轻质化成像元件,得益于其组成单元具有自由调控电磁波响应的能力和自身适应于微纳加工工艺的特点,自被提出以来已经涌现了许多优秀的研究成果。然而,超透镜技术在长波红外波段的研究还有待丰富,尤其是针对较大口径条件下如何提高成像质量的问题需要进一步深入分析。因此,本论文主要围绕如何提高长波红外超透镜性能这一问题开展了一系列的研究工作。论文通过成像实测与理论分析,得出了超透镜自身的衍射光学元件特性是造成其在较大口径条件下成像质量明显下降的核心因素。以此为问题对后续研究进行牵引,从宽波段消色差超透镜,窄带高品质因数滤光-聚焦一体化超透镜、宽视场有效聚焦超透镜等方面研究了提高长波红外超透镜成像能力的方法。论文主要开展的研究工作如下:1.为了能够对长波红外超透镜的成像性能产生较直观的认知,论文了分析了超透镜的基本原理与设计方法,通过系统性的实验摸索,成功掌握了锗基微结构的刻蚀工艺,确定了大口径长波红外超透镜的制作流程,并编写了适用于大口径超透镜的掩模图形自动生成程序。接下来,论文使用自制的长波红外超透镜对不同背景下的典型目标进行成像实验。根据实验效果,从理论上分析了大口径长波红外超透镜成像能力下降的原因,并进行了仿真计算来对结论进行验证。2.为了解决超透镜衍射色差明显的问题,论文进行了宽波段消色差设计的研究。首先从费马原理的角度出发,论文分析了长波红外宽波段消色差超透镜的设计方法,并通过仿真计算与理论分析指出了超表面的大深宽比结构特征对消色差超透镜设计的意义。接下来,论文使用高度为20μm的硅基耦合波导超表面进行了长波红外消色差超透镜的仿真实验,该超透镜在8.6μm至11.4μm波段范围内的焦距最大偏差量仅为1.6%,且聚焦效果接近衍射极限。与之相比,F数、口径和子单元周期完全相同的单色超透镜在8.6μm至11.4μm波段范围内的焦距最大偏差量达15.0%。所提出的消色差超透镜设计方法充分考虑了深硅刻蚀的工艺特点,具有较好的可行性。3.提出了一种聚焦-滤光一体化超透镜的设计方法,该方法是从高Q值滤光的角度出发,通过消除杂光的方式来实现大口径超透镜的高质量成像。论文首先通过等效电路法进行类比分析,建立了长波红外电磁诱导透射超表面的设计约束,并据此进行实际电磁结构的设计。接下来,基于相同的材料体系,论文以低厚度的惠更斯单元为超透镜子单元,建立了基于电磁诱导透射原理的聚焦-滤光一体化超透镜的物理模型与设计方法,并进行了仿真实验加以验证,在不影响中心波长聚焦效果的前提下,一体化超透镜的中心波长滤光Q值高达663。4.为了解决超透镜视场过小的问题,论文从几何光学的角度出发,将对超透镜相位方程的设计视作是对超透镜口面上不同位置处入射光线偏折角度的调控,明确了宽视场超透镜的设计方法。接下来,论证了使用高折射率材料锗进行长波红外宽视场超透镜设计的优势。最后,论文仿真计算了一个视场范围±30°,中心波长9.3μm,物理口径201μm的长波红外宽视场超透镜,该超透镜的聚焦能力不随入射角度而变化,在整个视场范围内较为一致,计算结果验证了设计方法的可行性。