微纳结构是指人为设计的、具有微米或纳米尺度特征尺寸、按照特定方式排布的功能结构。随着第三代光学成像技术向集成化、轻量化、超大口径发展,传统折反式光学系统面临着诸多瓶颈,而微纳结构光学元件具有重量轻、设计自由度高、结构灵活等特点,在成像领域展现出显著优势。本文系统研究了平面衍射透镜和超表面两种微纳结构的成像原理、宽带调控机理、设计方法和成像实验,为下一代光学成像技术提供了全新的技术途径。主要研究工作包括:1)基于平面衍射透镜的轻量化成像原理方法研究,针对衍射透镜色散严重的问题,分析并建立了宽波段消色差模型;开展了基于平面衍射透镜的口径5米空间天文望远镜光学设计,采用离轴反射式结构避免了同轴系统的挡光效应,利用多重位相衍射原理实现了连续光谱成像带宽,带宽覆盖可见光和红外全部谱段;2)提出了两种基于超表面的宽带位相和偏振调控原理,利用超表面色散调控实现了4倍频程宽带位相和偏振转换,通过超薄空间变化和频谱设计的自旋轨道作用,实现了电磁特征的虚拟位相整形;基于上述原理设计了透射和反射式光天线阵列超表面新型成像器件,实现了可见光光学漩涡聚焦和红外成像,其中反射式超表面能量利用效率超过90%;3)搭建了显微镜三维光场测试平台,解决了超表面成像面临的中间场成像测试难题;研究获得了精度20nm非规则纳米结构和大矢高32台阶微纳结构制备工艺;完成了平面衍射透镜宽波段成像实验,在可见光范围内获得衍射极限像质,验证了宽带消色差原理。本文重点完成了微纳结构成像原理及相关设计方法和实验工作。所取得的成果包括:平面衍射透镜宽波段成像原理和设计方法、超表面宽带位相和偏振调控机理、超表面成像器件设计、高精度微纳结构制备和成像实验验证。本文研究成果为后续微纳结构成像研究和相关应用提供了理论指导及实验基础。