随着智能设备的普及，针对高分辨成像应用捕获并再现真实世界物体的颜色、光泽和纹理是必要的。由成像技术和光谱技术相结合的高光谱成像技术可以同时获取物体二维空间信息和光谱信息，在对地遥感、空间探测、艺术保护、农业以及其他科学和工业领域得到广泛应用。然而，传统高光谱成像技术面临的主要问题是：成像系统笨重，难以实现平面化和集成化。超表面由于其平面化结构和亚波长尺寸等特点可对光波相位、振幅、偏振等光学特性进行灵活调控，因此可应用于传统高光谱成像系统中以达到平面化、集成化的目的，在无人机、卫星、手机等设备中具备很大的应用潜力。针对以上问题，本论文主要研究内容包括以下方面：
1、基于两片超表面开展了平板式高光谱成像技术研究，设计了工作于推扫模式的高光谱成像系统，该系统可实现850nm 到1000nm 波段30°全视场角下3.5nm 的光谱分辨率。采用评价函数对系统的谱线弯曲和色畸变进行限制，保证近衍射极限聚焦的前提下尽可能减小谱线弯曲和色畸变，优化后得到对应值分别为124.4μm 和33.6μm。整个平板式高光谱成像系统体积估测仅有45.5mm3。根据成像需求，依次设计了基于传输相位调制原理的色散超表面和聚焦超表面，并验证了单元结构的视场和波长不敏感性。所提出的光谱成像相机具有体积轻、重量小和易集成的优势，有望应用于便携式成像领域。
2、基于超表面设计了消谱线弯曲和色畸变的宽带平板式高光谱成像仪，采用一片色散超表面和两片聚焦超表面并以互相共面的方式调制光波实现近衍射极限聚焦。该系统工作于1000nm 到1500nm 波段（对应5.5nm-12nm 光谱分辨率），全视场角为5.4°，并通过评价函数控制基本消除了谱线弯曲和色畸变现象，克服了光谱畸变，提供了高一致性的光谱数据。整个系统体积估测仅有27.2mm3。根据相位匹配机制，基于几何相位设计了适用于宽带的色散超表面和两片聚焦超表面。为了降低工艺复杂性，不同超表面的设计需要保证厚度一致。此外还验证了单元结构的波长不敏感性和视场不敏感性，证明其满足成像要求。所设计的系统具有宽带特性，可获取更多的光谱信息，并在一定程度上避免了光谱混叠效应。