光学元件是人类对光进行操控的主要工具。随着科学技术和生产力水平的不断提升,人们对光学系统的性能要求越来越高,不仅要有更加精密和更加强大的光场调控能力,还要实现轻薄化、微型化、集成化、多功能一体化等功能。为了实现以上目标,以传统光学元件如折反射光学元件或衍射光学元件构成的光学系统变得越来越繁冗、复杂,而其调控性能却罕有突破。超构表面在这种情况下应运而生,它是一种由亚波长谐振器作为单元结构的阵列构成的二维人工电磁材料,能够对入射光和电磁波的振幅、相位、偏振态等特性进行亚波长精度的、高自由度的、“数字化”的调控,同时保持轻薄紧凑的器件体积重量。近年来,超构表面如火如荼、如日方升地发展,展现出了超越传统光学元件的能力和潜力,在替代繁杂的传统光学器件方面被寄予厚望,因而被誉为下一代光学元件。不仅如此,超构表面的加工制造工艺可以与半导体芯片相兼容和结合,有希望以极低的成本实现大规模量产,通过与半导体产业相结合的方式颠覆传统光学产业。本文以光学超构表面作为主要研究对象,围绕着基于超构表面进行可见光波段波前调控的目标,通过几何相位调控及其与传输相位进行协同调控的方法,在异常折反射型超构表面器件、超构透镜、基于超构透镜的近眼显示（NED）光学系统等方面展开创新性研究。首先,本文提出了一种利用双层几何相位型超构表面级联的可调谐型超构表面分束器（MBS）。此器件通过两层超构表面之间的相对横向位移产生相位分布差分,赋予入射光中正交的圆偏振分量两个相反的、变化的线性相位梯度,从而产生分束角度可调谐的偏振分束功能,是首个有连续调谐特性的MBS,除了可以精确地调谐分束角度,还能够根据入射偏振光的椭偏度对分束能量比例进行有效的调控,在光通信、测量、显示等领域具有重要的应用价值。然后,基于对上述双层级联型超构表面架构的改进,本文提出了一种两个焦点可连续变焦且相对强度可调谐的双焦点型超构透镜,此器件中两层超构表面的每一层都利用了几何相位和传输相位的协调调控,能够对入射光进行更大自由度的相位调控。由入射偏振光中的正交圆偏振分量所形成的两个焦点可以通过两层超构表面的相对横向位移实现连续变焦,双焦点的变焦范围可以根据需求重构,该器件有望在集成化的多平面成像、光学层析成像技术、光学数据存储等领域发挥作用。此外,本文提出了一个将大口径超构透镜目镜与三维计算全息显示技术相结合的近眼显示系统。一方面,超构透镜能够替代传统NED中复杂的透镜组从而实现光学系统的轻薄化,同时能够提供较大的视场角以及较高的成像质量;另一方面,基于新型区域分割衍射方法与重采样方法的计算全息显示技术能够很好地匹配超构透镜目镜,从而实现具有长深度以及连续深度线索的三维近眼显示,解决了传统三维NED中由于双目视差与视觉辐辏冲突所引起的视觉不适问题。此器件为用于虚拟现实和增强现实的NED系统以及未来的便携式光学显示设备提供了一个非常有前景的技术方案。最后,本文分析了当前光学超构表面波前调控能力的不足,展望了其发展前景以及需要克服的挑战,并为光学超构表面的进一步研究工作提供了方向。