Гарольд Хопкинс (физик)

Гарольд Хопкинс
Рожденный	6 декабря 1918 г. Лестер , Англия, Великобритания
Умер	22 октября 1994 г. ( 1994-10-23 ) (75 лет) Ридинг , Англия, Великобритания
Национальность	Британский
Известный	Зум-объектив Фиброскопы со стержневыми линзами Эндоскопы для хирургии замочной скважины Оптика для лазерных дисков /CD Бороскопы Волновая теория аберраций
Награды	Золотая медаль SPIE (1982) Медаль Рамфорда (1984) Медаль Листера (1990) Член Королевского общества
Научная карьера
Поля	Физика , Оптика , Математика
Учреждения	Университет Рединга Имперский колледж Лондона
Известные студенты	Ашок Сисодия Мария Изуэль

Гарольд Гораций Хопкинс, ФРС (6 декабря 1918 г. - 22 октября 1994 г.) был британским физиком . Его «Волновая теория аберраций» (опубликованная издательством Оксфордского университета в 1950 году) занимает центральное место во всей современной оптической конструкции и обеспечивает математический анализ, который позволяет использовать компьютеры для создания линз высочайшего качества. Помимо его теоретических работ, его многочисленные изобретения ежедневно используются во всем мире. К ним относятся зум-объективы, когерентная волоконная оптика и, в последнее время, эндоскопы со стержневыми линзами, которые «открыли дверь» в современную хирургию замочной скважины. Он был лауреатом многих самых престижных наград мира и дважды номинировался на Нобелевскую премию. В его благодарности при получении медали Рамфорда от Королевского общества в 1984 году говорилось: «В знак признания его большого вклада в теорию и проектирование оптических инструментов, особенно широкого спектра важных новых медицинских инструментов, которые внесли большой вклад в клиническую диагностику. и хирургия».

Биография

Хопкинс родился в бедной семье в трущобах Лестера в 1918 году, и его незаурядный ум был признан рано. Благодаря своей гениальности и удачной поддержке семьи и учителей, он получил одну из двух стипендий во всем Лестершире, что позволило ему посещать гимназию The Gateway. Там он преуспел, особенно в искусстве, английском языке, истории и других языках. Однако директор, признав его исключительный математический дар, направил его в науку.

Поэтому он изучал физику и математику в Университетском колледже Лестера , который окончил в 1939 году с первым, а затем начал работу над докторской диссертацией по ядерной физике . Однако с началом войны это было отменено, и он пошел работать в компанию Taylor, Taylor & Hobson, где познакомился с оптическим дизайном.

Хопкинсу по необъяснимым причинам не был предоставлен статус зарезервированной профессии, в результате чего его призвали и на короткое время обучили взрывать мосты. (Он был прирожденным человеком, быстро дослужившимся до звания «действующего бесплатного младшего капрала» и получившим приз за скорость разборки и сборки своей винтовки.) Ошибка такого размещения вскоре стала очевидной, и он приступил к работе над проектированием оптических систем. систем до конца войны, одновременно работая над докторской диссертацией, которая была получена в 1945 году.

В 1947 году он начал исследовательскую стажировку в Имперском колледже Лондона , читая лекции по оптике. В следующие двадцать лет он стал одним из ведущих авторитетов в области оптики. Помимо своей собственной работы, он привлек большое количество высококвалифицированных аспирантов со всего мира, многие из которых сами стали старшими научными сотрудниками и исследователями. Его репутация как учителя была непревзойденной. Когда в 1967 году он переехал в Университет Ридинга, чтобы занять недавно созданную кафедру оптики, многие из его бывших студентов магистратуры в Imperial ездили в Ридинг, чтобы посещать его лекции. Он всегда считал, что его главной обязанностью является преподавание, а исследования отходят на второй план. Однако он также был полностью убежден, что преподавание и научные исследования жизненно важны друг для друга. «Только когда вы пытаетесь чему-то научить, вы обнаруживаете, действительно ли вы это понимаете».

В этом предмете он использовал математику. Разработка математического описания поведения оптических систем была в центре деятельности его жизни в области физики, применение которой привело ко многим всемирно известным изобретениям. Он решил остаться в Рединге на должности профессора прикладной физической оптики до выхода на пенсию в 1984 году, отказавшись от многочисленных высоких должностей, которые ему предлагали. Он считал продолжение своей преподавательской и исследовательской работы более важным и гораздо более полезным лично. Тем не менее, он с большим удовольствием вручил ему Почетные стипендии всех медицинских Королевских колледжей Великобритании, а также высшие награды многих ведущих научных организаций мира, включая (в 1973 г.) Братство самого Королевского общества . В 1990 году он был награжден Медалью Листера за вклад в хирургическую науку. Сопровождающая речь Листера, произнесенная в Королевском колледже хирургов Англии , была произнесена 11 апреля 1991 года и называлась «Развитие современных эндоскопов – настоящее и будущие перспективы». Эта награда за работу над эндоскопами была необычной, поскольку обычно ее вручают представителям медицины. В 1978 году он был награжден медалью Фредерика Айвза от OSA .Что менее известно о Гарольде Хопкинсе, так это то, что он также был политически преданным левым человеком и одним из первых членов Коммунистической партии Великобритании. Выходец из бедной и обездоленной семьи, он понимал, насколько важны равные возможности и хорошее образование для того, чтобы обычные молодые люди из рабочего класса, подобные ему, могли процветать в обществе.

Основные изобретения и усовершенствования

Зум-объективы

По запросу в конце 1940-х годов от BBC , которая хотела, чтобы один объектив заменил классическую «башенку» объективов с разным фокусным расстоянием, он создал знакомый зум-объектив . с различным увеличением без повторной фокусировки, ни один из них не может обеспечить изображение хорошего качества во всем диапазоне масштабирования и диафрагмы. Конструкция зум-объектива значительно сложнее и сложнее, чем зум с фиксированным фокусным расстоянием. Объектив произвел революцию в телевизионном изображении, особенно при трансляции на открытом воздухе, и открыл путь к повсеместному использованию масштабирования в современных визуальных средствах. Он был еще более примечателен тем, что был создан докомпьютерного типа, а расчеты трассировки лучей выполнялись на большом настольном электромеханическом устройстве. такие машины, как калькулятор Маршана , даже в этом случае ранние зум-объективы все еще не дотягивали до фиксированных объективов. Применение компьютерных программ проектирования, основанных на его волновой теории аберраций, в сочетании с новыми типами стекла, покрытиями и технологиями производства изменило ситуацию. работоспособность всех типов линз. Хотя зум-объективы никогда не смогут превзойти объективы с фиксированным фокусным расстоянием, в большинстве случаев различия уже не значительны.

эндоскопы со стержневыми

Волоконная оптика

Древние римляне умели нагревать и вытягивать стекло в волокна такого маленького диаметра, что они становились гибкими. Они также заметили, что свет, падающий на один конец, передавался на другой. (из-за последовательных отражений от внутренней поверхности волокна.) Эти множественные отражения смешивают световые лучи, тем самым предотвращая передачу изображения по одному волокну – (точнее, различные длины пути, испытываемые отдельными световыми лучами, изменяют их относительные фазы делают луч некогерентным и, следовательно, неспособным восстановить изображение.) Конечным результатом является то, что свет, исходящий из одного волокна, будет представлять собой среднее значение интенсивности и цвета света, падающего на падающий конец.

Когерентная оптоволокно

Если бы пучок волокон можно было расположить так, чтобы их концы находились в одинаковых положениях на обоих концах, то фокусировка изображения на одном конце пучка привела бы к созданию « пиксельной » версии на дальнем конце, которую можно было бы рассматривать через окуляр. или снято камерой. Немецкий студент-медик Генрих Ламм в 1930-х годах создал грубый когерентный пучок, состоящий примерно из 400 волокон. Многие волокна были смещены, и у них не было надлежащей оптики для визуализации. Он также страдал от утечек в местах соприкосновения соседних волокон; что еще больше ухудшило изображение. Чтобы создать полезное изображение, пучок должен содержать не несколько сотен, а десятки тысяч правильно выровненных волокон. В начале 1950-х годов Хопкинс придумал способ добиться этого. Он предложил намотать один непрерывный отрезок волокна в форме восьмерки на пару барабанов. Затем, когда было добавлено достаточное количество витков, короткую часть можно было запечатать смолой, разрезать и выпрямить все, чтобы получить необходимый связный пучок. . Отполировав концы, он смог добавить разработанную им оптику, служащую объективом и окуляром. После того, как его поместили в гибкую защитную оболочку, на свет появился «фиброскоп» (теперь его чаще называют фиброскопом). Подробности этого изобретения были опубликованы в статьях Хопкинса в журналах Nature в 1954 году и Optica Acta в 1955 году. Однако голые волокна все еще страдали от утечки света в местах соприкосновения. В то же время голландец Абрахам ван Хил также пытался создавать когерентные пучки и исследовал идею оболочки каждого волокна, чтобы уменьшить эти «перекрестные помехи». Подробности своей работы он опубликовал в том же номере журнала Nature . В конце концов Ларри Кертис и др. разработали систему покрытия волокон слоем стекла с более низким показателем преломления, которая уменьшила утечку до такой степени, что был реализован весь потенциал фиброскопа.

Фиброскопы и бороскопы

Фиброскопы оказались чрезвычайно полезными как в медицине, так и в промышленности (где термин бороскоп обычно используется ). Другие инновации включали использование дополнительных волокон для направления света к объективу от мощного внешнего источника (обычно ксеноновой дуговой лампы ), что позволило достичь высокого уровня освещения полного спектра, необходимого для детального просмотра и цветной фотографии хорошего качества. В то же время это позволяло фиброскопу оставаться холодным, что было особенно важно в медицинских целях. (Предыдущее использование небольшой лампы накаливания на кончике эндоскопа оставляло выбор: либо наблюдение в очень тусклом красном свете, либо увеличение светоотдачи с риском ожога внутренних органов пациента.) В медицине Наряду с улучшением оптики появилась возможность «управлять» наконечником с помощью органов управления в руках эндоскописта и инновации в хирургических инструментах с дистанционным управлением, содержащихся внутри корпуса самого эндоскопа. Это было начало хирургии замочной скважины, какой мы ее знаем. Эти достижения были одинаково полезны и в промышленности.

Эндоскопы со стержневыми линзами

Существуют физические ограничения качества изображения фиброскопа. В современной терминологии пучок из, скажем, 50 000 волокон эффективно дает изображение размером только в 50 000 пикселей, кроме того, длительное сгибание при использовании приводит к разрыву волокон и постепенной потере пикселей. В конечном итоге так много теряется, что приходится заменять весь комплект (со значительными затратами). Хопкинс понял, что любое дальнейшее оптическое улучшение потребует другого подхода. Предыдущие жесткие эндоскопы имели очень низкую светопроницаемость и крайне низкое качество изображения. Хирургические требования, связанные с прохождением хирургических инструментов, а также система освещения внутри трубки эндоскопа, которая сама по себе ограничена размерами человеческого тела, оставляли очень мало места для оптики визуализации. Крошечные линзы традиционной системы требовали опорных колец, закрывающих большую часть площади линзы. Их было невероятно сложно изготовить и собрать – и оптически они были минимально полезны. Элегантное решение, которое Хопкинс придумал в 1960-х годах, заключалось в использовании стеклянных стержней для заполнения воздушного пространства между «маленькими линзами», от которых затем можно было вообще отказаться. Эти стержни точно подходят к трубке эндоскопа, что делает их самовыравнивающимися и не требующими никакой другой поддержки. С ними было намного проще обращаться, и они использовали максимально возможный диаметр. Как и в случае с фиброскопами, пучок стекловолокон будет передавать освещение от мощного внешнего источника. Благодаря соответствующей кривизне и покрытию концов стержня, а также оптимальному выбору типов стекла, рассчитанным и заданным Хопкинсом, качество изображения изменилось: уровень освещенности увеличился в восемьдесят раз без нагрева; наконец было достигнуто разрешение мелких деталей; цвета стали правдой; и были возможны диаметры всего в несколько миллиметров. Благодаря высококачественному «телескопу» такого небольшого диаметра инструменты и систему освещения можно было удобно разместить внутри внешней трубы.

Хопкинс запатентовал свою систему линз в 1959 году. Увидев в этой системе многообещающие возможности, компания Karl Storz GmbH купила патент и в 1967 году начала производить эндоскопические инструменты с чрезвычайно ярким изображением и превосходным освещением. Так началось долгое и продуктивное сотрудничество между Хопкинсом и Шторцем. Хотя существуют области тела, для которых всегда требуются гибкие эндоскопы (в основном желудочно-кишечный тракт), эндоскопы с жесткими стержневыми линзами обладают такими исключительными характеристиками, что остаются предпочтительным инструментом и становятся фактором, способствующим современной хирургии замочной скважины.

Функция передачи модуляции

До работы Хопкинса разрешение оптической системы в основном оценивалось с помощью 3-полосных диаграмм разрешения, при этом предел разрешения был основным критерием. Но Гарольд учился в Безансонском университете у Дюффье , который уже начал закладывать основы фурье-оптики. Основополагающий документ, который он представил в 1962 году, когда произнес речь Томаса Янга в Институте физики , был одним из первых, кто установил функцию передачи модуляции (MTF) – иногда называемую функцией передачи контраста (CTF) – как ведущую меру качества изображения. в оптических системах формирования изображения. Вкратце, контраст изображения синусоидального объекта определяется как разница интенсивностей между пиками и впадинами, деленная на сумму. Пространственная частота обратна периоду рисунка на этом изображении, обычно измеряемому в циклах/мм. Контраст, нормированный так, чтобы контраст на нулевой пространственной частоте был равен единице, выраженный как функция пространственной частоты, является определением передаточной функции модуляции. MTF до сих пор используется оптическими разработчиками в качестве основного критерия качества изображения, хотя его измерение в производстве менее распространено, чем раньше. Он рассчитывается на основе данных объектива с использованием такого программного обеспечения, как OSLO , Zemax. и код V .

Лазердиск и CD

Первоначально представлявший собой аналоговую систему воспроизведения видео, Philips формат лазерных дисков был адаптирован к цифровому формату в конце 1970-х годов и стал предшественником CD и DVD. Цифровые данные кодируются в виде серии углублений на отражающем диске. Они расположены по спиральной траектории, которую лазер может считывать последовательно (аналогично стилусу, следующему по канавке на виниловой пластинке ). Лазер необходимо сфокусировать и отслеживать этот путь, а отраженный луч необходимо собрать, отклонить и измерить. Оптика прототипа, позволившая достичь этой цели, представляла собой дорогую систему стеклянных линз. Хопкинс смог показать посредством тщательного математического анализа системы, что при тщательно рассчитанной геометрии вместо этого можно использовать цельный кусок прозрачного формованного пластика. Это по-прежнему является основным фактором низкой стоимости лазерных устройств чтения дисков (таких как проигрыватели компакт-дисков).

Здание Хопкинса

12 июня 2009 года здание Хопкинса было официально открыто его сыном Кельвином Хопкинсом , депутатом от Лейбористской партии от Лутон-Норт. Это объединило под одной крышей биомедицинские и фармацевтические исследовательские интересы университета. Хотя это новое учреждение не участвовало напрямую в применении оптики, оно, следуя самым высоким стандартам преподавания и исследований, предоставило возможность почтить память одного из самых выдающихся ученых университета.

Внешние ссылки

• Волоконно-оптическая хронология