三维(3D)成像能够捕捉环境中的场景和物体的三维结构,估计物体空间中每个横向位置(x,y)到相机的深度或距离(z),通过分析和处理3D成像后的输出信息,能够提取出物体空间的三维信息。基于以上特性,3D成像在目标识别、人脸识别与监测、机器人导航、地球表面、森林和城市地区的地图绘制、医药、临床和细胞内分子的三维定位等领域有广泛的应用。但传统基于视觉和离焦的深度估计方法有很强的局限性且无法对轴向深度进行准确地估计,一个更有潜力的方法是利用三维点扩散函数代替标准点扩散函数进行成像。基于三维点扩散函数的深度测量是非接触式测量,具有对深度估计精度高、测量系统简单的优点,被应用在三维追踪、分子或粒子的超分辨率成像等领域。在之前的工作中,三维点扩散函数主要是通过计算机生成全息图(CGH)或空间光调制器(SLM)来实现的,具有体积大、系统复杂和难以集成的缺点。超表面(Metasurface)是指一种厚度小于波长的人工二维层状材料,可在亚波长尺度实现对电磁波偏振、振幅、相位、传播模式等特性的灵活有效的调控且具有微-纳米级尺寸。近年来,按特定形状、尺寸排列的亚波长光学天线阵列构成的超表面在调控光波面的方面得到了广泛的研究,有望替代传统光学元件。本论文主要基于不同超表面实现了三维点扩散函数,对轴上微小点物和实际三维场景进行了成像。此外,还把三维点扩散函数和超透镜集成在了同一个超表面上,实现了对轴上微小单点物和轴外微小双点物的三维成像,相对于传统的方法有元件尺寸小、系统集成性强的优势。具体研究内容如下:(1)研究了三维点扩散函数中双螺旋点扩散函数的光能利用率优化算法。通过加入限制条件和优化函数实现了对双螺旋点扩散函数的优化。(2)研究了物体三维信息的复原算法。通过对物体经过三维成像光学系统后的图像获取、深度图复原以及物体重构过程进行分析,得到了三维信息的复原算法。(3)对于惠更斯全介质超表面,针对其设计和加工连续相位分布比较复杂的问题,对高效双螺旋函数的相位分布进行了离散化,通过数值分析得到了不影响成像效果的最小离散阶数,简化了设计和加工过程。(4)设计了具有不同离散相位阶数相位分布的高透射率惠更斯全介质超表面结构样品。加工并实验分析了它们的光学特性,并对轴上微小物点和实际三维场景进行了三维成像,利用三维信息复原算法对物点和场景中的各个物体的三维信息进行了复原。(5)对于表面等离子体几何超表面,由于其金属层的高吸收损耗导致的透射率低的特性,对高效双螺旋点扩散函数的光能利用率进行了进一步的优化。为了实现成像系统的集成化,提出了集成化双螺旋-超透镜结构,将双螺旋相位掩模板与会聚透镜集成,使得元件的体积大幅减小。(6)对编码了双螺旋-超透镜相位分布的表面等离子体几何超表面进行了结构设计,采用具有电偶极子、磁偶极子、电四极矩和磁四极矩的多极子亚原子阵列组成了高透射率双层超表面结构。利用所加工样品对轴上微单点和轴外微双点物进行了成像实验,复原了微小点物的三维信息。