超表面是一种经过合理设计的人工排布的亚波长结构阵列,通过超表面结构微单元对光的振幅、相位和偏振的自由调制来实现独特的电磁响应,因此超表面具有极高的信息容量和像素分辨率。相较于传统的光学元器件,超表面由于其轻薄、紧凑和灵活调控等特性,可以将多种功能在光电子系统中集成,在实现光电器件小型化和集成化方面具有很大的潜力。近年来,利用超表面调控电磁波波前实现了一系列多功能的新颖器件,如超透镜、矢量涡流束发生器、偏振转换器和多通道复用全息等。然而,目前基于二维（2D）多路复用的超表面由于空间受限,在操纵各种光学参数能力和信息存储容量上都有很大的局限性,还没有充分发挥超表面在多任务应用中的能力,同时在三维垂直堆叠的超表面集成光学器件方面还有待拓展和深入。因此,针对这些问题,本文开展了基于三维（3D）集成超表面的多功能光学器件的设计加工及应用研究,并取得了如下研究成果:（1）提出了一种新型的3D集成超表面,通过在基于法布里-珀罗（FP）腔的单片彩色滤光片微阵列上堆叠全息超表面,同时实现低串扰、不受偏振限制、高效的全彩全息和高保真的微缩印。当设备被白光照射时,可以观察到彩色微缩印图像,而在红、绿和蓝激光照射下,通过混合三个独立的灰度全息图像,可以将全彩全息图像投射到远场。这种集成器件为解决全彩全息的瓶颈问题提供了解决方案,同时,仍然可以保持彩色滤光片和超表面全息的功能,提高了超表面设备的多功能应用。（2）设计并制备了一种结合FP腔彩色微缩印和双通道螺旋复用超表面全息的集成超表面器件。这种器件通过独立操纵入射光的振幅、相位和偏振,同时具有微缩印、全息以及螺旋的调节维度,赋予了2~6-1存储容量的光加密性能。开发了一个特定的算法框架,将全息与结构色耦合起来,并建立了粒子群优化算法优化超表面单元的偏振转换效率。此外,将彩色微缩印加工为二维码图案,发送者可以随时在线编辑二维码中的加密密钥,接收者通过扫描此二维码获得解密信息,实现实时加密解密方案。（3）利用偏振复用超表面,通过与互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器集成实现多通道感知的全光神经网络。这种片上集成器件只需要将待识别物体的振幅或相位的平面波作为输入信号,结合超表面的偏振特性,就能实现可见光范围内以光速进行多任务交互,比如数字和时尚物品的同时分类识别。利用基于误差反向传播的方法的计算机机器学习算法,单层隐含层的双通道分类器被训练成可以执行关键性双类别图像的分类识别,实验制备并验证了这种集成CMOS图像传感器的紧凑多通道分类器。