为实现星敏感器在J波段对3等恒星进行全天时高精度探测，采用被动消热差设计方法，根据光学系统与结构材料的热差性能差异，进行匹配优化实现镜头消热差，设计完成了一种大相对孔径全天时星敏感器光学系统。针对恒星在该波段下的指标进行分析，确定光学系统焦距为84 mm,F数为1.4，工作谱段范围为1.1～1.4μm，视场角为8.4°。在光学系统设计过程中选取常用光学材料和镜筒材料，通过改变各透镜形状，合理匹配各镜片之间的光焦度，从而实现被动补偿无热化设计。优化设计完成后的光学系统在高低温(-40℃～+60℃)及真空条件下，当离焦0.02 mm后，弥散斑尺寸优于30μm，色畸变小于0.018 mm。星敏感器内部采用表面发黑处理，遮光罩采用非等间距布局设计，表面采用一款具有较高太阳吸收率的SB-3A国产消光漆进行涂黑，可以在保证效果的情况下有效减轻重量，遮光罩内档光环采用16°斜角，可以保证较好的杂散光抑制能力。利用Tracepro软件对光机系统的杂散光进行了仿真分析，分析结果表明，视场内由目标产生杂散光是目标强度的3×10-5，视场外杂散光强度由10-2量级迅速下降，18°以外杂散光强度为视场外强光的10-4以下。地面观星试验实现了对3等星全天时探测，验证了该光学系统设计的合理性。