光学成像技术带动了人类社会的变革,在生物、物理、化学、医学等各学科领域产生了深远影响。衍射现象作为光波的一个基本属性,它限制了光学成像系统的物理分辨率。突破传统衍射极限,发展超分辨成像技术一直是光学领域的热点话题。随着先进光学成像理论的发展,超分辨成像技术在荧光显微、近场扫描成像等领域取得了丰硕成果,但是这些方法无法应用于远场不易操作性目标的观察。近年来,在远场光学成像领域,科研人员提出了一种新型光学超衍射器件——超振荡器件的设计思想和技术,它不依赖倏逝波提取和荧光标记,实现了远场超衍射成像,有效突破了阿贝衍射极限的束缚,在先进光学成像研究领域具有十分重要的科学研究价值。本博士论文主要研究了超振荡器件的设计及其成像应用的具体实现途径,该研究在微纳光刻、医学成像、精密测量、光存储等领域具有重要理论和应用价值。本论文主要研究内容和取得的创新性研究成果具体如下:(1)提出了一种基于二元分离式超振荡器件的远场小视场超衍射成像方法,有效克服了现有超衍射成像系统工作距短、离轴成像畸变大等技术难题。该方法创新之处在于:通过采用分离式超振荡器件设计,实现了小视场范围内的无畸变离轴成像;同时,基于标量角谱理论,建立了超振荡器件的非线性优化模型,有效克服了传统线性优化方法边界条件复杂、寻优不彻底的问题。实验结果表明,在λ=632.8 nm激光照明下,实现了1.5°视场内的无畸变的超衍射聚焦光场,其半高全宽可以达到0.31λ/NA,分辨率较同等数值孔径下的衍射受限系统提高了38%。(2)提出了一种用于无扫描超衍射成像的复合超振荡器件设计。针对现有超衍射成像系统单次成像视场小,焦深短的缺点,首先采用Alex超方向天线设计理论,利用切比雪夫多项式序列构建了理想超衍射波前;其次,通过合理抑制中心区域的透过率分布,构建了复合超振荡器件的优化模型。仿真结果表明,采用复合超振荡器件,在像面处可以产生具有连续超衍射特性的轴向伸长的锥形聚焦斑,旁瓣抑制比较现有超衍射成像系统提升了120%。同时,纵向焦深达到了3.13λ/NA,在成像时具有很大的目标轴向调节冗余,可以广泛应用于大视场实时超分辨成像系统的研究。(3)提出并搭建了一套非相干光无扫描超衍射成像系统。不同于现有超衍射系统的相干扫描成像机制,该系统的创新性及其优势在于:首先,采用离子束刻蚀技术加工了二元振幅/相位型复合超振荡器件,摆脱了现行采用空间光调制器波前调制时对偏振的依赖性;其次,采用非相干照明代替传统相干照明方式,有效抑制了目标不同位置处成像光束的干涉,系统成像噪声得到了大幅度抑制。针对复杂目标开展了成像实验研究,成像结果证明了该系统在无扫描超衍射成像应用中的有效性和实用性,系统成像分辨率达到了0.35λ/NA,较同等数值孔径下的衍射受限系统提高了30%。