近年来,随着无人机、无人车等环境感知技术的发展,激光3D图像传感技术得到了各国学者高度关注,其高分辨率和高精度是其广泛应用的基础。本文根据激光3D图像传感器实际需求,提出并设计了一种新型收发合置光学系统,以偏振光学隔离开关为核心,将发射光学系统和接收光学系统共口径;引入f-?扫描光学系统,解决了接收系统效率较低的问题;利用ZEMAX软件对发射和接收光学系统进行设计和优化,最终加工完成收发合置光学系统,并通过实验进行验证。论文主要从以下几个方面展开:首先,结合收发分置和收发合置系统的不同特点,分析了两种系统存在的优势和不足,从提高系统共轴度、降低背景噪声角度出发,提出了本文收发合置系统设计;研究了发射光学系统和透镜准直扩束技术,推导了高斯光束的基本特性和透镜变换的基本原理;结合课题设计要求,应用高斯光束透镜变换理论,使用ZEMAX软件设计了一级扩束(预扩束)和二级扩束光学系统,分析研究了两个系统点列图、像差等,最终实现了10mm光斑直径准直输出;其次,基于激光成像雷达直接探测基本理论,分析了激光雷达系统探测过程中,系统回波功率计算方法以及背景光噪声对系统成像质量的影响;研究了传统光隔离开关的设计原理与方法,指出了中心孔洞造成回波信号功率损失的弊端;从薄膜偏振分束棱镜原理出发,有效利用1/2、1/4波片不同偏振特性,设计了一种基于偏振隔离原理的光学隔离开关。同时,完成了光学隔离开关系统搭建,并就如何降低光隔离系统信噪比进行了研究;针对接收光学系统聚焦回波信号特性,分析了APD探测器与接收视场的关系,设计了一套接收光学系统,符合本文设计要求;最后,完成了激光3D图像传感器收发合置光学系统设计,分析了本文设计的合置收发系统在激光成像雷达领域的优势,对整个实验装置进行了装调和实验。完成了偏振隔离系统测试和不同目标成像实验,在均匀材质和复杂目标成像方面得到了很好的探测结果。测试结果表明,本文设计的光学系统符合技术指标要求,杂散光隔离效果较好,近地目标探测精度较高。