Наблюдательная система эндоскопа состоит из трех основных частей: объектива 1, системы передачи изображения 2 и окуляра 3 (рисунок 7). Так как исследуемый объект расположен перед объективом на конечном расстоянии, то формально данная система может быть отнесена к группе микроскопов. Однако, исходя из особенности конструкции и работы эндоскопа, необходимо отметить, что, во-первых, наблюдательная система имеет малую величину числовой апертуры в пространстве предметов; во-вторых, объектив имеет небольшую величину фокусного расстояния (от 1 до 20 мм) и малое относительное отверстие (от 1: 8 до 1:15); в-третьих, расстояние до исследуемой поверхности изменяется в пределах от 10 до 100 мм, что в несколько раз превышает величину фокусного расстояния объектива; в-четвертых, отсутствует фокусировка на различные расстояния до объекта. Поэтому эндоскоп целесообразнее рассматривать как телескопическую систему [12] небольшого увеличения, снабженную оборачивающей системой.
Рисунок 7 – Принципиальная оптическая схема наблюдательной системы эндоскопа
При разработке оптической системы эндоскопа необходимо задать оптимальные исходные параметры, которые можно подразделить на три группы: оптические характеристики; габаритные размеры; качество оптического изображения.
К основным оптическим характеристикам эндоскопов относятся следующие: рабочее расстояние s (расстояние от первой поверхности защитного стекла до объекта наблюдения); угловое поле 2w в пространстве предметов; видимое увеличение Г; разрешающая способность N; диаметр D' выходного зрачка.
Строение биологического канала или обследуемой полости определяет габаритные размеры (диаметр и длину рабочей части) и оптические характеристики эндоскопа. Диаметры трубчатых элементов иногда по традиции приведены в таких единицах, как Шарьеры (Ch). Для каждой исследуемой полости и для каждого вида эндоскопа определены оптимальные рабочие расстояния, для которых следует рассчитывать оптическую систему и задавать оптические характеристики (таблица 2) [13].
Рабочее расстояние в соответствии с назначением эндоскопа для различных видов может колебаться в диапазоне от 5 до 100 мм [13]. Анализируя данные таблицы 2, обратим внимание, что если показатель преломления n рабочей среды перед объективом эндоскопа отличен от 1, то рекомендуемое для разработки оптической схемы эндоскопа рабочее расстояние в воздухе меньше в n раз по сравнению с расстоянием до предмета в рабочей среде.
Поле зрения и увеличение. При наблюдении через эндоскопы, особенно с диагностическими целями, увеличение на рабочем расстоянии чаще задается в пределах от 1,1 до 1,3x. Такое увеличение обеспечивает наиболее естественное восприятие наблюдаемых внутриполостных объектов. Повышение увеличения влечет снижение величины поля зрения, являющегося важным параметром эндоскопа. От смотровых и диагностических эндоскопов требуется возможно большее поле зрения при небольших увеличениях для наилучшего обзора полости. Операционные эндоскопы могут иметь большее увеличение (от 1,6 до 1,8x) для уверенного проведения различных манипуляций под визуальным контролем. Поле зрения находится в диапазоне от 50 до 90° для жестких эндоскопов и в диапазоне от 50 до 135° для гибких эндоскопов с волоконной оптикой.
Как известно, в телескопической системе, расположенной в воздухе, видимое увеличение ГТ может быть определено через основные характеристики несколькими способами:
 , |
(1) |
где f 'об – фокусное расстояние объектива телескопической системы;
f 'ок – фокусное расстояние окуляра телескопической системы;
2w' – угловое поле в пространстве изображений окуляра;
2w – угловое поле в пространстве предметов объектива;
D, D' – диаметры входного и выходного зрачков телескопической системы соответственно.
Если предмет находится перед объективом на конечном расстоянии, да еще и в среде с показателем преломления, отличным от 1, то видимое увеличение будет отличаться от рассчитанного по формуле (1). Найдем связь между видимым увеличением ГТ телескопической системы и видимым увеличением ГЭ эндоскопа на расчетном расстоянии в рабочей среде с показателем преломления n. В соответствии с рисунком 7 можно записать, что 
, а за окуляром прибора величина угла определится в соответствии с соотношением:
 , |
Если предмет величиной y рассматривается в воздухе невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения a (обычно a = 250 мм), то он виден под углом 
. Следовательно, при наблюдении в эндоскоп он будет восприниматься с видимым увеличением
 , |
(2) |
Последняя формула позволяет определить требуемое видимое увеличение ГТ, для которого и должна рассчитываться телескопическая система:
 , |
(3) |
Так как s < na, то и ГТ < ГЭ. Для реализации в эндоскопе видимого увеличения ГЭ = (1 ÷ 1,8)x на рабочих расстояниях s/n = (4 ÷ 60) мм наблюдательная телескопическая система должна иметь увеличение ГТ в диапазоне от 0,02 до 0,43x, т.е. для всего диапазона рабочих расстояний эндоскопов увеличение меньше 1x, а в силу этого величина углового поля эндоскопа в пространстве предметов больше, чем в пространстве изображений.
Далее найдем связь между основными параметрами оптической системы эндоскопа.
Дифракционный предел разрешения Y телескопической системы может быть оценен по известной формуле
 , |
(4) |
В свою очередь, для получения наименьших поперечных размеров эндоскопа его оптическая система проектируется так, что световые диаметры Dсв компонентов системы переноса изображения определяются величиной изображения 2y', построенного объективом. Следовательно, можно записать, что
 , |
(5) |
Выразив из последней формулы фокусное расстояние объектива, а из формулы (4) – диаметр входного зрачка, найдем следующее соотношение между основными параметрами эндоскопа:
 , |
(6) |
где К – диафрагменное число объектива.
Так как разрешающая способность N эндоскопов обычно выражается числом разрешаемых линий на 1 мм объекта, установленного на расчетном рабочем расстоянии, то, очевидно, что между N и Y существует простая связь: 
, воспользовавшись которой, можно иначе записать соотношение (6):
 , |
Из последнего соотношения следует, что увеличение поля зрения при прочих равных условиях приводит к уменьшению разрешающей способности эндоскопа. Необходимо учитывать, что взятая в вышеприведенных рассуждениях за основу формула (4) определяет теоретическую разрешающая способность эндоскопа, которая в реальной оптической системе снижается из-за наличия аберраций.
С другой стороны, если диаметр входного зрачка выразить из формулы (1), а фокусное расстояние – из формулы (5), то получится следующее соотношение:
 , |
(7) |
которое показывает, что видимое увеличение, поле зрения и диаметр выходного зрачка определяются величинами светового диаметра оптической системы и относительным отверстием ее объектива.
Эндоскопы условно могут быть разделены по сложности оптической системы на три группы [14]:
1) простейшие эндоскопы, состоящие из полой трубки и осветителя;
2) эндоскопы с традиционной оптической схемой;
3) эндоскопы со сложными объективами и системами передачи изображения.
Рассмотрим более подробно принцип построения оптической системы эндоскопа на примере традиционный схемы, представленной на рисунке 8.
Рисунок 8 – Принципиальная схема эндоскопа
Предмет, имеющий угловые размеры 2w и находящийся перед объективом 1 на расстоянии s, превышающем в несколько раз величину фокусного расстояния объектива, проецируется последним в плоскость, расположенную вблизи фокальной плоскости объектива 1. Так как |s| >> |f1|, то линейное увеличение b1 определится как 
. При этом величина изображения, построенная объективом, составит
 , |
В плоскости изображения устанавливается коллектив 4 такой оптической силы, чтобы световой диаметр последующего компонента 5 был равен диаметру коллектива, т.е. величине изображения, определяемой по вышеприведенной формуле. Таким образом, оправа коллектива по существу является полевой диафрагмой. Компоненты 5 и 6 образуют двухкомпонентную оборачивающую систему, при этом обычно между ними обеспечивается параллельный ход лучей, а линейное увеличение принимается равным –1x. Расстояние между компонентами 5 и 6 оборачивающей системы рассчитывается таким образом, чтобы их световые диаметры были одинаковыми. Из рисунка 8 видно, что для крайних внеосевых точек предмета допускается виньетирование, величина которого может достигать 0,5.
Посередине между компонентами оборачивающей системы устанавливается апертурная диафрагма, при этом компоненты оборачивающей системы, в данном случае двухлинзовые склеенные, располагаются симметрично относительно нее, что позволяет устранить в оборачивающей системе ряд аберраций, таких, как меридиональная кома, хроматизм увеличения и дисторсия.
Для получения требуемой длины оптической системы эндоскопа после первой оборачивающей системы устанавливается коллектив 7 и вторая оборачивающая система 8, 9, аналогичная первой. При необходимости получения большой длины эндоскопа число оборачивающих может быть увеличено, при этом общее число компонентов в системе может достигать нескольких десятков.
В приведенной на рисунке 8 схеме показаны две оборачивающих системы, и в плоскости третьего действительного изображения также установлен коллектив 10. Для того, чтобы изображение объекта получилось после окуляра на расстоянии наилучшего видения, передняя фокальная плоскость окуляра 11 располагается несколько левее (по ходу луча) плоскости последнего действительного изображения так, что на выходе из оптической системы лучи идут к глазу наблюдателя расходящимися пучками (от минус 3 до минус 4 дптр).
Для компенсации аметропии глаза наблюдателя окуляр эндоскопа имеет диоптрийную подвижку в пределах ± 5 дптр.
Для осуществления бокового наблюдения перед объективом установлена призма 2 типа АкР-90°, обеспечивающая вместе с оборачивающими системами прямое изображение.
Защитные стекла 1 и 12 предохраняют оптическую систему от влияния внешней среды как в процессе работы, так и в процессе обработки оптической трубки эндоскопа.
Видимое увеличение телескопической системы эндоскопа определяется как
 , |
(8) |
где bоб.с. – линейное увеличение каждой оборачивающей системы;
n – их число.
При рассмотренном принципе построения оптической схемы линейное увеличение оборачивающей системы определится отношением фокусных расстояний ее компонентов и для обеспечения bоб.с. = -1x фокусные расстояния компонентов оборачивающих систем принимаются равными между собой, а от их числа будет зависеть характер оборачивания. Если в системе применяется головная призма, то и она влияет на оборачивание изображения, что не отражается формулой (8). Для удобства ориентации при наблюдении и проведения необходимых манипуляций оптическая система эндоскопа должна обеспечивать прямое изображение.
Положение входного зрачка системы определяется из условия обеспечения минимальных размеров головной призмы или объектива. Выходной зрачок для удобства совмещения с ним зрачка глаза наблюдателя должен быть расположен на расстоянии не менее 10 ÷ 15 мм от наружной поверхности защитного стекла окуляра.
