超表面作为亚波长结构的二维排布阵列,可应用于主动调谐、偏振控制、波前整形等多个领域,可有效地对光束进行调制从而实现特定的功能。其中基于光学超表面的全电介质超透镜作为新型的光学器件,相较于传统器件具有体积小、性能高、易加工等优点;通过纳米结构单元的周期型排布,在具备高光学效率的同时能有效地避免传统光学器件中出现的多阶衍射级次。同时,超透镜可与现有的CCD器件兼容,为器件的性能提升以及一体化、轻型化的发展提出了新的解决方案。1、本文基于短波近红外波段(780nm-1100nm)的应用需求,以时域有限差分法(FDTD)为主要仿真方法,同时采用严格耦合波理论(RCWA)作为辅助参考,仿真结构单元中电磁响应。分别对基于二氧化硅基底的高折射率材料单晶硅、低折射率材料氮化硅,以及一体化硅的三种圆柱型单元结构进行优化仿真设计。通过对结构尺寸的分析和验证,三种单元结构在最大纵横比分别为3.3:1,10.4:1,3.75:1时,可满足高透射率的要求并实现2π全相位覆盖。2、根据结构单元的优化设计尺寸以及与CCD器件的兼容性,本文给出了两种超透镜设计方案,即前光照射式和背光照射式透镜。超透镜均采用双曲线型相位轮廓分布,透镜设计尺寸22μm×22μm,在矩形孔径下实现了多环圆形排布,有效的增加了光能利用率。其中前光照射式透镜的结构单元分别使用了上述单晶硅与氮化硅的优化设计,在与CCD的兼容设计中,在7μm×7μm光敏元的中心区域内,可将工作波段内探测器的等效填充因子分别提高约53.1%和49%。背光照射式透镜设计基于边到边(edge to edge)的等距紧密排列方式,采用纳米柱与基底材料相同的一体化硅的优化设计参数。可将工作波段内探测器的等效填充因子平均提高约46%。同时由于其直接蚀刻在CCD器件衬底上,便于蒸镀增透膜且不存在器件之间的结合面,光能损失小,有助于器件的一体化集成设计。