本发明公开了一种基于双层介质超表面的消色差光学变焦系统，属于光学器件技术领域。包括：第一层介质超表面和第二层介质超表面，所述第一层介质超表面和第二层介质超表面平行排列；所述第一层介质超表面和第二层介质超表面均由多个相位调控单元拼接构成，所述多个相位调控单元分别构成的所述第一层介质超表面和第二层介质超表面具有相反的螺旋形相位；宽谱入射光分别经过所述第一层介质超表面的螺旋形相位和第二层介质超表面的螺旋形相位同时进行波前相位调制后，输出的合成相位为球透镜相位，使得输出的不同波长的光聚焦在同一焦点处。本发明能够实现对宽谱入射光的无色差变焦，并且避免了额外工作空间的需求，集成度及成像质量高。