本发明公开了一种空分超构透镜的设计方法及其立体成像系统，方法包括：预设具有独立可变双轴结构的纳米单元的各自由度集，设定相应变化范围和入射光的工作波长、偏振状态，结合数值仿真处理，确定目标纳米单元组合集的相位数据库；根据先验知识计算得到空分超构透镜的理论相位分布，并根据相位数据库，匹配理论相位分布，确定所有采样点的纳米单元的目标尺寸组合；将获得的空分超构透镜结合传统光学元件，能够搭建立体显微成像光学系统本发明可以实现高分辨率成像，显著提高成像性能，可广泛应用于光学透镜成像领域。