透镜是成像系统的核心部件。目前,成像系统普遍采用基于折/反射原理的光学透镜,通过光程累积来调控光场的相位,因此这种透镜往往具有较大体积和重量。此外,由于材料的色散效应,通常需要组合多种材料的透镜来实现消色差成像,这将进一步扩大器件的体积和重量,无法适应当前系统小型化、集成化发展要求。另一方面,基于衍射原理的光学元件具有厚度薄、重量轻等特点,在光通信、三维显示、空间成像技术等众多领域具有广阔的应用前景,为高集成度的成像系统提供了可能的方案。但是,传统的衍射元件（如菲涅尔透镜）往往存在着严重的色差,这将限制其在成像系统中的应用。为了实现“更小、更轻、更易集成”的成像系统,本文将衍射理论和优化设计方法相结合,针对实际应用需求设计出了多种不同数值孔径的消色差衍射透镜。论文的主要研究内容及创新点如下:（1）设计了一种低数值孔径消色差衍射透镜。采用一组不同高度的同心圆环作为衍射透镜结构,通过圆环的高度变化来调控光场的相位。在此基础上,首先基于标量衍射理论计算结构的衍射光场。然后基于目标光场,借助直接二值搜索算法对衍射透镜的结构参数进行优化设计,进一步通过Lumerical FDTD Solutions电磁仿真软件和Matlab数学软件开展了相应的模拟实验,验证了所设计的衍射透镜的消色差性能。最后,分析了圆环的量化阶数和最大高度两个关键的设计参数对消色差性能的影响。（2）设计了一种高数值孔径消色差衍射透镜。由于高数值孔径衍射透镜具有亚波长特征尺寸,因此标量衍射理论将不再适用。针对该问题,本文提出使用矢量衍射理论的数值计算方法-时域有限差分法（finite-different time-domain,FDTD）结合直接二值搜索算法,即矢量优化设计方法,来设计高数值孔径消色差衍射透镜。采用这种方法,设计并仿真实现了数值孔径为0.75的消色差衍射透镜。通过与普通衍射透镜对比,所设计的消色差衍射透镜能很好地抑制色差效应。（3）对于百微米级口径的衍射透镜,利用FDTD进行单次三维矢量分析往往需要数个小时。而综合优化设计过程中通常需要进行几百至上千次的矢量分析,这会耗费大量计算时间和内存。因此,运算能力是制约衍射透镜口径大小的主要因素。针对该问题,本文将旋转体时域有限差分法（body-of-revolution finite-difference time-domain,BOR-FDTD）作为衍射透镜的矢量分析方法。将三维矢量分析问题转化为二维问题,计算时间上减少了20到50倍,从而设计出了一个相对大口径的高数值孔径消色差衍射透镜。