地球空间中存在各种复杂的物理、化学、动力学等过程,对气候的变化和人类的航天活动等都有着重要的影响,与人类的生存发展息息相关。开展地球空间环境探测,不仅在科学上具有重要意义,而且在政治、经济和国防上具有重要意义。气辉是空间大气中的主要示踪物之一,在地球空间大气环境研究中起到非常重要的作用。全天空气辉成像仪是一种重要的空间环境探测设备。其优点在于:全天空成像、多波段探测、时间和空间分辨率高、免调焦和成本低。气辉辐射携带有重要光化学和动力学信息,通过气辉成像仪得到气辉的特征辐射光谱信息（OH、O₂、OI、Na等气辉辐射波段）,可以反演出中高层大气的温度、压强、密度和水平风场等信息。本文研究了427.8⁸65nm波段两种不同结构的全天空气辉成像仪的光学系统。首先详细的介绍了全天空气辉成像的研究背景与意义、历史及国内外现状,介绍了目前国际上应用比较广泛的几种气辉成像仪的工作原理,归纳总结了气辉成像仪发展的三个阶段,并且对现有的气辉成像仪的优缺点进行了比较,引出本文研究的目的和主要内容。然后分析了系统的参数要求,主要包括:使用鱼眼镜头的非相似成像原理对系统焦距的确定;给出大气气辉强度与光亮度之间的换算关系,用来分析气辉强度与系统F/#和曝光时间之间的参数关系;总结了重要的和常见的气辉辐射谱线,给出其对应的辐射源、反应过程、发射高度、发射强度等信息,确定出探测器和滤光片的选择依据;为实现复消色差省去调焦装置来降低系统成本的目的,提出了修正的部分色散和阿贝数的计算公式,计算出适合本系统工作波段的复消色差玻璃匹配。确定系统参数之后对传统的全天空气辉成像仪进行分析,总结提出了两种结构的气辉成像仪系统。在此基础上完成了像方远心鱼眼镜头的设计,完成了两种结构的全天空气辉成像仪的设计,对比了两种结构的成像质量,对比了两种结构对滤光片面形公差以及形位公差的要求。最后提出了基于成品镜头的系统搭建,列举了一些商品镜头的匹配方案,并且在软件中对基于成品镜头的系统进行仿真,分析了基于成品镜头方案的可行性。