透镜作为聚焦光束的常用工具,被广泛应用于各种现代光学系统中。但透镜的色散限制了它的工作谱宽,所以人们使用双胶合和透镜组等方式设计出了消色差的透镜,然而它们具有加工困难和体积庞大的缺点,不利于光学系统的集成化。超表面材料凭借其灵活的亚波长尺度的波前调控能力,近年来被广泛应用于各种新型光学器件的研发之中。因此,基于超表面材料的超透镜,为实现超薄、超紧凑的消色差透镜,提供了全新的解决思路。本论文以消色差超透镜为主要研究对象,设计了三种不同工作波段、不同尺寸和不同功能的消色差超透镜。本论文的主要研究成果和创新点如下:（1）设计了一种毫米级口径的偏振无关红外消色差超透镜。该设计将离散多波长消色差原理与全局优化算法相结合,通过优化8～12μm波段内9个采样波长处的相位分布,使设计的超透镜可以同时满足各个波长的聚焦相位,从而实现消色差的聚焦功能。之后采用多种四折叠对称的超原子,构建出了直径为1 mm、数值孔径为0.23的偏振无关消色差超透镜,同时还设计了不同尺寸和不同数值孔径的消色差超透镜,并通过仿真验证了它们的消色差聚焦性能。（2）设计了一种可见光范围内的大倍率旋转变焦消色差超透镜。该设计将莫尔透镜的变焦原理应用到消色差超透镜的设计当中,使用两片具有变焦相位的超表面构成了旋转变焦超透镜。该超透镜的聚焦相位与超表面之间的相对旋转角度相关,改变旋转角度可以实现对焦距的连续调控。结合全局优化算法,优化了两片超表面在440 nm、540 nm和640 nm处的相位分布,使得构建的超透镜可以同时满足三个波长处的变焦相位,从而消除了变焦超透镜的色差。本文通过仿真计算,验证了该超透镜的1～10倍消色差变焦能力。（3）提出并实现了一种用于光学多参量探测的近红外消色差超透镜阵列。该设计针对不同的相位调控方式给出了两种直径为30μm的偏振相关的消色差超透镜设计方案,并由四种偏振相关的超透镜组成了超透镜阵列,该阵列可以在1310～1550 nm的近红外波段内实现消色差的聚焦性能。同时,由于该超透镜阵列具有偏振相关的聚焦特性,配合还原算法可以利用聚焦光斑的光强和质心分布,还原出入射光的偏振和波前信息。本文在仿真上验证了所设计的超透镜阵列的消色差聚焦和多参量探测性能。之后开展了各项实验,测试了加工样片的实际焦距,并探测了工作谱段内不同的偏振态和相位梯度,获得了各项实验指标。