遮光罩尺寸和拉氏不变量是影响星敏感器体积和镜头复杂性的2个关键因素。通过推导分析极限星等与这两者的关系，研究了星敏感器光学系统的小型化设计。根据光学系统参数与星敏感器技术要求的关系，推得和分析不同极限星等时关于遮光罩尺寸和拉氏不变量的公式。结果表明随着极限星等增大，拉氏不变量单调减小，但遮光罩尺寸存在着极小值。据此优化极限星等，使得遮光罩尺寸和拉氏不变量尽可能小，实现星敏感器小型化。基于STAR1000互补金属氧化物半导体（CMOS）探测器，举例优化设计得到适于微小卫星星敏感器使用的光学系统，其极限星等5.0 MV、视场角20°×20°、入瞳直径28.2 mm、长度124 mm、重量约300 g。

鬼像是逆光照明下影响光学镜头成像清晰度、对比度的主要原因，为减少其影响，研究典型匹兹万镜头的消鬼像问题。运用近轴矩阵光学理论，详细分析讨论匹兹万镜头的鬼像特性，给出抑制方法。根据使用要求，优化设计和研制了消鬼像光学镜头，像质评价结果表明鬼像能量低且分布均匀，具有接近衍射极限的成像性能。逆光照明下的成像结果表明，研制的镜头具有优异的鬼像抑制性能，验证了设计和分析的正确性。给出的鬼像抑制方法可用于其他光学系统。