Объектив эндоскопа предназначен для формирования уменьшенного изображения исследуемых объектов. В соответствии с рекомендациями, содержащимися в таблице 3, объективы должны иметь угловые поля от 50 до 135° и более. Так как изображение, построенное объективом, должно иметь малый размер, обусловленный малыми поперечными размерами оптической трубки эндоскопа, то в соответствии с формулами (10) и (11) и объективы должны иметь малую величину фокусного расстояния. Именно это обстоятельство позволяет проводить наблюдение объектов, расположенных на различных расстояниях от объектива без перефокусировки. В работе [14] показано, что для этого достаточно, чтобы фокусное расстояние объектива эндоскопа было в 8÷10 раз меньше расстояния до объекта наблюдения.
Итак, объектив эндоскопа можно отнести к оптическим системам с малым фокусным расстоянием (от 3 до 20 мм), которые при сравнительно небольших относительных отверстиях обладают большими угловыми полями в пространстве предметов.
В самом простом варианте объектив эндоскопа может быть выполнен в виде одиночной линзы. Для увеличения поля зрения в широкоугольных эндоскопах перед объективом устанавливается плоско-вогнутая линза, обращенная плоской стороной к предмету, которая одновременно играет роль защитного стекла. Для обеспечения требуемого угла направления наблюдения в оптическую схему между объективом и защитным стеклом может вводиться призма. Очевидно, для уменьшения ее размеров необходимо рассчитывать систему таким образом, чтобы призма располагалась в области входного зрачка. Таким образом, собственно короткофокусный объектив работает с вынесенным входным зрачком, который удален от него на большое расстояние (по сравнению с его фокусным расстоянием). Именно эта особенность определяет форму однолинзового объектива эндоскопа как плоско-выпуклой линзы, обращенной плоской поверхностью к удаленному предмету. Дело в том, что при расчете объективов различного назначения с вынесенным входным зрачком в качестве базового компонента используется именно плоско-выпуклая линза, так как позволяет создать систему, свободную от астигматизма и комы [16].
С аберрационной точки зрения, целесообразно рассматривать и рассчитывать объектив эндоскопа совместно с толстой плоскопараллельной пластиной и отрицательным компонентом – защитным стеклом. Так как первый коллектив часто имеет большую толщину (соизмеримую с его диаметром) и располагается на малом расстоянии от объектива, то при расчетах объектива он также может включаться в расчетную схему объектива.
Защитное стекло 1 (рисунок 12), призма 2, линза 3 объектива и коллектив 4 образуют сложный объектив, принципиальная схема которого представляет собой перевернутый телеобъектив. На рисунке 12 призма заменена редуцированной плоскопараллельной пластинкой.
Рисунок 12 - Принципиальная оптическая схема объектива эндоскопа в тонких компонентах
На качество изображения, как известно, наряду с дифракцией, существенное влияние оказывают остаточные аберрации оптической системы. При расчете объективов эндоскопов устраняются, прежде всего, такие аберрации, как хроматизм положения и увеличения, астигматизм, кривизна изображения, кома и аберрации в зрачках. Сферическая аберрация в силу небольшой величины относительного отверстия оказывается малой. Величины остаточных аберраций объектива должны быть такими, чтобы их величина за окуляром не превышала предельных значений, допустимых для визуальных оптических систем. Как известно, устранение дисторсии требует значительного усложнения схемы, но в широкоугольных системах, каковыми являются эндоскопы, правильное восприятие формы объекта осуществляется как раз в том случае, если в системе присутствует дисторсия определенной величины. Поэтому в эндоскопах указанная аберрация допускается, если, по мнению [17], она не достигает такой степени, что узнавание предмета по его изображению становится невозможным.
На рисунке 13 приведены оптические схемы некоторых объективов эндоскопов. По данным [17], в разных схемах астигматизм составляет 0,2 ÷ 0,8 мм для угловых полей 56° и 0,33 ÷ 9 мм для угловых полей 90° , меньше всего его величина для схем, изображенных на рисунках 13в, д, е, – не более 0,50 мм для углового поля 90°. Зная фокусное расстояние окуляра и не учитывая возможную компенсацию аберраций объектива и последующих оптических элементов системы, легко оценить величину астигматизма в диоптрийной мере за окуляром эндоскопа по известной формуле 
и сравнить ее с допустимой величиной (0,5 ÷ 1) дптр для визуальных систем.
Рисунок 13 - Оптические схемы объективов эндоскопов
Все схемы, представленные на рисунке 13, содержат в себе призму, причем базовая плоско-выпуклая линза может выполняться либо непосредственно на призме, либо наклеиваться на нее (рисунок 13а, д).
Существует объектив эндоскопа, содержащий отрицательную линзу, призму и трехлинзовый положительный компонент, состоящий из переднего мениска, положительной двояковыпуклой склеенной линзы и заднего мениска. Выполнение менисков в виде одиночных линз не позволяет компенсировать отрицательную кривизну, присущую линзовой оборачивающей системе и окуляру, что приводит к снижению качества изображения всей системы эндоскопа. К этому же приводит и недостаточная коррекция хроматизма увеличения. Для исправления названных аберраций в работе [18] предложен объектив, оптическая схема которого представлена на рисунке 14.
В объективе мениски выполнены в виде склеек из двояковогнутой отрицательной и двояковыпуклой положительной линз, разности показателей преломления стекла которых лежат в диапазоне от 0,02 до 0,2, и разность коэффициентов дисперсий определяется диапазоном от 10 до 28, а радиус поверхности склейки менисков меньше заднего фокусного расстояния объектива. Конструктивные параметры объектива приведены в приложении А. Переисправление кривизны изображения доведено в объективе до значения x'm= 0,132 мм; x's= 0,092 мм на краю поля зрения, что позволяет существенно компенсировать отрицательную кривизну, вносимую линзовой оборачивающей системой и окуляром и, тем самым, устранить эту аберрацию для всей системы эндоскопа. Хроматизм увеличения исправлен до значения Dyхр= 0,0005 мм, что является вполне достаточным.
Основные характеристики объектива:
|
| фокусное расстояние 1,75 мм; |
| угловое поле в пространстве предметов 75 ° ; |
| относительное отверстие 1 : 6. |
Рисунок 14 - Оптическая схема объектива эндоскопа с переисправленной кривизной изображения и исправленным хроматизмом
В отношении устранения аберрации в зрачках выгодно использовать симметричные дублеты из двух или трех линз (рисунок 13в, г). Использование тройной склейки в объективах эндоскопов оправдано при расчете короткофокусных объективов до 3 мм с хорошим качеством изображения при углах поля в пространстве предметов более 50°.
Объектив, построенный по схеме объектива Хилля (рисунок 13е) с передней отрицательной линзой менискообразной формы, позволяет достичь угловых полей до 180° без значительного снижения освещенности на краях поля зрения.
Для повышения коррекционных возможностей предложена схема объектива, представленная на рисунке 15 [19], содержащая плосковогнутую линзу, мениск и двояковыпуклую линзу. В объективе мениск склеен из отрицательной и положительной линз, величина разностей показателей преломления которых лежит в диапазоне от 0 до 0,02 и разности коэффициентов средней дисперсии стекол – в диапазоне от 22 до 23, кривизна поверхности склейки линз мениска составляет величину от 0 до 0,1 оптической силы объектива.
Основные характеристики объектива: |
| фокусное расстояние 3 мм; |
| угловое поле в пространстве предметов 90 ° ; |
| относительное отверстие 1 : 5. |
Рисунок 15 - Оптическая схема объектива эндоскопа с пониженной сферической аберрацией и дисторсией
Объектив может быть использован в эндоскопах для визуальных исследований и при выполнении фото- и телевизионных съемок. Конструктивные параметры объектива приведены в приложении А.
В работе [20] отмечается, что наличие воздушных промежутков между линзами объектива эндоскопа может привести к запотеванию оптики в процессе работы. Для исключения этого при одновременном снижении диаметра эндоскопа предлагается объектив выполнять в виде единого блока (рисунок 16), состоящего из склеенных между собой двух положительных линз из материала с высоким показателем преломления, например, сверхтяжелого крона, разделенных отрицательной линзой из материала с низким показателем преломления, например, фтористого натрия, а радиусы кривизны поверхностей отрицательной линзы равны между собой. Кроме того, для улучшения качества изображения за счет коррекции хроматических аберраций одна из положительных линз головного объектива, например, вторая, состоит из склеенных между собой положительной и отрицательной линз из материалов с близкими значениями показателей преломления и различными по величине дисперсиями, так что радиус склейки влияет только на коррекцию хроматизма увеличения.
Рисунок 16 - Оптическая схема объектива эндоскопа с малым рабочим диаметром
Так как в научно-технической и патентной литературе недостаточно информации о конструктивных параметрах объективов эндоскопов, то в качестве примера нами был рассчитан простой объектив для трубки эндоскопа прямого наблюдения, оптическая схема которого построена на основе двух двухлинзовых склеенных компонентов и отрицательного защитного стекла. Принципиальная схема объектива близка к представленной на рисунке 15, а конструктивные параметры и величины остаточных аберраций приведены в приложении Б. Параметры объектива могут быть использованы в качестве исходных при расчете оптических систем эндоскопов при курсовом и дипломном проектировании.
Объектив при фокусном расстоянии 3 мм, угловом поле в пространстве предметов 90° и наибольшем световом диаметре линз 3,6 мм обеспечивает размер изображения 6 мм. Для обеспечения большого поля зрения перед двумя склеенными компонентами установлена отрицательная линза. Для того, чтобы эта линза не вносила кому и астигматизм, ее рекомендуется выполнять плосковогнутой со сферической поверхностью, концентричной центру входного зрачка расположенной за ней части объектива [21]. Расстояние между первой отрицательной линзой объектива и двухлинзовыми склеенными компонентами выбрано больше величины эквивалентного переднего фокального отрезка последних. При этом обеспечиваются фокусное расстояние объектива меньше эквивалентного фокусного расстояния склеенных компонентов, т.е. 
и относительно большие значения радиусов кривизны поверхностей в склеенных компонентах.
При относительном отверстии 1 : 6 размер аберрационного кружка рассеяния для точки на оси не превышает 0,011 мм, астигматизм для поля 90° не превышает 0,08 мм. Объектив имеет достаточно большую отрицательную дисторсию, достигающую –27% на краю поля. Еще раз обратим внимание, что в широкоугольных объективах, к каким относятся и объективы эндоскопов, для получения меньших перспективных искажений как раз и не следует стремиться к обеспечению ортоскопичносности [16]. В рассматриваемом объективе закон построения изображения близок не к ортоскопическому, а к линейному, т.е. y' = -f'w (для строгого соблюдения линейного закона дисторсия на краю поля должна быть –21,5%). Именно это обстоятельство, наряду с телецентрическим ходом главных лучей в пространстве изображений объективов, способствует улучшению светораспределения. Но при телецентрическом ходе главных лучей световой диаметр линз объектива получается несколько больше размера изображения, что для объективов эндоскопов не всегда приемлемо. В данном объективе ход главных лучей в пространстве изображений приближен к телецентрическому: после объектива угол наклона главного луча крайнего пучка лучей уменьшен до 8°.
При использовании такого объектива в конкретной схеме эндоскопа необходимо провести его пересчет на требуемое рабочее расстояние. Например, при расположении предметной плоскости на расстоянии 60 мм от объектива положение плоскости изображения смещается на 0,14 мм, а сферическая аберрация и астигматизм изменяются незначительно (приложение Б).
Как известно, введение в оптическую схему объектива толстых плоскопараллельных пластин благоприятно влияет на аберрационную коррекцию системы, поэтому при необходимости установки призмы после отрицательного компонента потребуется некоторая оптимизация конструктивных параметров с помощью программ по расчету оптических систем.
