随着人工智能、传感器、自动化和人与自然交互等重大前沿技术的发展，迫切需要攻克复杂环境感知技术。激光3D图像传感器因测量精度高、方向性强、响应速率快和不受地面杂波影响等优势，是无人驾驶汽车等领域首选的专用传感器之一。微机电系统(MEMS)扫描激光三维图像传感器因MEMS微镜具有轻量化、速度快、低成本等优点，备受国内外高度关注，它将是克服传统机械转式激光3D图像传感器诸多缺陷最有前途的技术路线之一，也是最逼近大规模实际应用的技术方案。本论文围绕MEMS三维图像传感器中存在的科学问题和关键技术开展研究，如MEMS微镜动力学过程及追踪控制方法、大视野MEMS扫描技术、大视场高灵敏度激光接收技术和高精度回波脉冲定时与测时技术等，主要研究内容如下:
　　第一，理论上分析静电驱动MEMS动力学特性，寻找其追踪控制方法。通过建立MEMS静电驱动的动力学模型，分析外加激励函数条件下的动力学过程，揭示MEMS微镜稳定的周期性运动规律，研究能够按照控制指令进行追踪控制的方法。测试研究所用MEMS微镜的扫描电压与扫描光束的光学偏转角之间的依赖关系，通过控制扫描电压和指令轨迹函数实现MEMS按照预定扫描角和扫描图样进行高速高效扫描。
　　第二，针对MEMS微镜扫描机械角小以及传统MEMS的光学扩角系统发散角大的不足，研究F-θ透镜和物方远心透镜组合式大视野扫描光学系统解决以上缺点。建立大视野扫描光学系统物理模型，分析F-θ透镜和物方远心透镜焦距之间扩角关系，借助常用光学设计软件完成了该方法的光学结构参数设计。通过光线追迹仿真，评估了距离在100m左右的光斑大小小于10cm的效果，得到了角度约为60°×60°的大视野扫描范围。该方法还可以使扫描进一步扩大到更大的视野。
　　第三，针对传统的成像物镜加场镜(或光锥或浸没透镜)接收光学系统的不足，研究非成像物镜系统，解决小光敏面大视场接收的难题。利用光学扩展量建立非成像光学系统评估模型，对比分析成像系统和非成像系统光学利用率，借助光学设计软件，优化设计完成一种三片式非成像光学系统，接收视场大于50°×50°，接收光敏面直径不超过φ3mm。
　　第四，研究设计一种基于高速集成芯片的恒比定器模块和时间数字转换器时间间隔测量模块，实现亚纳秒的时间测量精度。研制纳秒量级脉冲恒比定时器模块，解决亚纳秒定时精度；研制百k量级数据率时间数字转换器模块，实现与上位机高数据率通讯；借助时间数字转化芯片GP22，采用双Stop通道差分测时的方法，得到亚纳级测时精度。
　　第五，对光学系统、激光器、探测器、信号处理器和机械结构等模块进行优化设计，最终集成一套MEMS扫描激光三维图像传感器原理样机，并进行成像实验，验证优化设计的合理性，梳理出需要改进完善的问题。激光发射接收系统和MEMS微镜扫描系统是两个独立的分系统，分析MEMS扫描轨迹运动规律和脉冲发射间歇步调不一致性问题，解决MEMS微镜系统X-Y坐标与激光发射接收系统Z坐标的对准问题；激光测距实际上是测量径向距离，需要研究柱面坐标系与笛卡尔坐标系的变换，解决三维图像枕形失真问题。