星敏感器作为航天器中不可或缺的高精度姿态测量装置，依托探测空间中不同方位的恒星来获取飞行器的姿态数据。其核心部件光学系统的成像质量直接决定了探测性能的优劣。当前主流的光学系统方案包括透射式、反射式及折反式结构，各自具备不同的技术特性与局限。
为满足更高探测能力的需求，光学系统需兼顾宽谱段响应、大入瞳直径，同时尽可能抑制畸变与色差。透射式结构虽应用广泛，但受限于口径尺寸较小，且因透镜数量较多导致二级光谱校正难度增大，系统整体质量也随之显著提升。反射式结构则凭借大口径、无透镜色差及组件精简的优势突出，然而其结构设计复杂度较高，存在光路遮拦问题降低了光能利用率，且边缘视场的像差校正能力相对薄弱。
折反系统通过反射镜与透镜的组合设计实现了优势互补：反射镜的引入避免了色差产生，透镜组则负责系统像差的综合校正并扩展视场范围。该结构中像面位移不受反射镜影响，当选用膨胀系数相近的反射镜与支架材料时，可有效降低环境温度变化对系统稳定性的干扰，从而提升环境适应性。
优化星敏感器探测能力的关键，在于突破光学系统的技术瓶颈——需在扩大入瞳直径与拓宽光谱范围的同时，精准控制畸变与色差。透射式方案虽成熟，但面临质量增加与光谱校正难题；反射式虽具备大口径与无色差特性，却因光遮拦与边缘像差问题需克服设计挑战；而折反系统则通过镜-透镜协同设计，实现了像差补偿、视场扩展及温度稳定性提升，成为平衡性能与工程可行性的重要发展方向。
三、分步优化策略
（1）曲率先行
先对镜片的曲率半径（Curv）进行优化，调整光线的折射角度，初步改善像差。
（2）间隔微调
完成曲率优化后，再调整空气间隔（Thickness） ，精确控制光线在各镜片间的传播路径，进一步提升成像质量。
（3）特殊处理
对于高折射率镜片，优先修改后表面曲率，可有效减少边缘光线的入射角度，降低像差。
四、设计验证与输出
在ZEMAX软件中设计一款目镜系统，目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑远离透镜组的光学系统。因为焦距短、孔径小、轴上的像差（球差和色差）比较小，在结构较为复杂的目镜系统中很容易得到校正。由于视场大，光阑远离透镜组，轴外像差的校正就很困难。对观察系统来说，重点考虑影响成像清晰度的彗差、像散、场曲和倍率色差。
例如，设计一款2ω=10°时，相对畸变为3%的目镜系统，该目镜结构中加入分离的负光焦度组可以校正场曲。由此带来的是轴的外光线在正透镜组上的入射高度加大，对像散、场曲和畸变的校正不利。故目镜常不单独校正像散和场曲的方案，而采用与物镜的部分补偿。
通常，目镜的像散校正为正值，使子午像面与高斯像面重合。由于眼球有自动调节的功能，允许有不超过三个折光度的剩余场曲。若显微镜中没有分划板，可用物镜的剩余场曲部分地补偿目镜的场曲。
相互补偿的像差校正方案也可以用在其他像差的校正中。但是，因为物镜是小视场、大孔径的光学系统，而目镜是大视场、小孔径的光学系统，两者的像差特性有很大的区别，达到完全的匹配是很困难的，尤其是高级像差的匹配。所以，尽可能分别校正物镜和目镜的像差是保证整个系统成像质量的基础。
光阑球差是目镜像差校正中的特点。光阑球差造成了各视场光照度的不均匀性，在眼睛的视野里，给出了明暗不均的观察效果，而且眼睛沿光轴移动时，明暗的分布随之变化。
通过优化设计完成的目镜系统如下图所示。该目镜系统由5片镜片组成，1双凸镜，4片弯月形透镜以矫正场曲和畸变。
实例参考：《关于大口径折反式星敏感器光学系统设计的创新方案》
设计仿真：首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。
在孔径类型中选择“Entrance PupilDiameter”，并根据设计要求输入“250”；在视场设定对话框中设置1个视场，要选择“Angle”，如下图：
在波长设定对话框中，设定0.45～0.95um共6个波长，如下图：
R-C系统的主镜和次镜的通光面均为双曲面,可有效校正初级球差和慧差。在次镜前加入光阑校正球面透镜组可校正系统残余的像散、场曲和畸变。同时，在次镜与像面之间加入的视场校正球面透镜组用以增大整个光学系统的视场，从而提高光学系统的探测精度和星敏感器的成像质量。2D Layout：
通过对目镜系统点列图的深入观测，可清晰获取其成像质量的关键指标：在边缘视场区域，光斑半径呈现出最大值，达到6.824μm；而在中心视场区域，光斑半径则控制在2.561μm的优良水平。综合全视场范围内的光斑分布特征，该系统展现出较为理想的成像效果，表明其在光学设计上有效平衡了中心与边缘的像质差异，具备良好的实际应用潜力。
波前像差是指实际波前与理想波前之间的偏差。在光学系统中，理想情况下点光源发出的光应形成完美的球面波前，但由于实际光学系统存在各种像差，导致波前发生变形。这种变形表现为实际波前与理想参考球面之间的光程差，称为波前像差。波前像差直接反映了光学系统的成像质量缺陷，是评价光学系统性能的重要指标。下图为该目镜系统的波前差，从波前差可以看出，其目镜系统波前差小于λ/4，成像良好。
在评估光学系统成像质量时，几何失真程度（即光学畸变）是核心指标之一，其反映了影像相对于理想物形的变形偏差。针对该目镜系统，通过其畸变曲线图分析可知：系统在全视场范围内的畸变水平被严格控制在0.2%以下，呈现出优异的几何保真性能。这一数据表明，该系统在成像过程中能够有效抑制各类几何形变，确保物像空间坐标的高度一致性，满足精密光学设备对低畸变成像的严苛要求。
相对畸变越小,越有利于提高星敏感器的测量精度。
查看倍率色差曲线：
上图表示的是各视场短波和长波之间的倍率色差曲线。
上图表示的是不同波长与中心波长之间的倍率色差曲线。
调制传递函数（MTF），亦称为空间对比传递函数或空间频率对比敏感度函数，是衡量光学系统对不同空间频率正弦信号调制度传递能力的关键指标。通过分析目镜系统的MTF曲线可知：在空间频率为55线对每毫米（lp/mm）时，其中心视场区域的MTF值超过0.75，边缘视场亦保持在0.35以上，表明系统在全视场范围内具备良好的对比度传递特性。此外，该系统经检测，其光学畸变被严格控制在0.2%以内，进一步验证了其成像几何保真度的优异表现。综合MTF与畸变数据，该系统展现出高保真成像能力与低几何失真水平，满足精密光学设备对成像质量的严苛要求。
在采用ZEMAX进行光学设计时，其关键的原则为：ZEMAX设计是一个不断迭代的过程，需遵循“建模→优化→公差分析→迭代”的循环。遇到复杂像差问题时，可尝试添加衍射面（Binary 2）或更换ED玻璃等特殊材料，减少色差。通过不断的迭代和优化，最终完成一个比较理想的光学系统。
