Гарольд Хопкинс (физик) - Harold Hopkins (physicist)

Гарольд Хопкинс
Родившийся	6 декабря 1918 г. Лестер, Англия, Великобритания
Умер	22 октября 1994 г. (1994-10-23) (в возрасте 75 лет) Чтение, Англия, Великобритания
Национальность	Британский
Известен	Зум-объектив Фиброскопы Стержневой объектив эндоскопы за хирургия замочной скважины Оптика для лазерный диск /CD Бороскопы Волновая теория аберраций
Награды	Золотая медаль SPIE (1982) Рамфорд Медаль (1984) Член Королевского общества[1]
Научная карьера
Поля	Физика, Оптика, Математика
Учреждения	Университет Ридинга Имперский колледж
Известные студенты	Ашок Сисодия Мария Изуэль

Гарольд Гораций Хопкинс ФРС^[1] (6 декабря 1918 - 22 октября 1994)^[2] был британцем физик. Его волновая теория аберраций (опубликовано Oxford University Press 1950), занимает центральное место во всем современном оптическом дизайне и обеспечивает математический анализ, который позволяет использовать компьютеры для создания множества высококачественных линз, доступных сегодня. Помимо теоретической работы, многие его изобретения ежедневно используются во всем мире.^[3] К ним относятся зум-объективы, когерентные волоконная оптика и совсем недавно эндоскопы со стержневыми линзами, которые «открыли дверь» современной хирургии замочной скважины. Он был лауреатом многих самых престижных премий мира и дважды номинировался на Нобелевскую премию. Его цитирование при получении Рамфорд Медаль от Королевское общество в 1984 г. заявил: «В знак признания его большого вклада в теорию и дизайн оптических инструментов, особенно большого количества новых важных медицинских инструментов, которые внесли большой вклад в клиническую диагностику и хирургию».^[4]

биография

Он родился в бедной семье в трущобах Лестер в 1918 году, и его выдающийся ум был признан рано. Благодаря своему гению и удаче получить поддержку как своей семьи, так и учителей, он получил одну из двух стипендий во всем Лестершире, что позволило ему посещать среднюю школу Gateway. Там он преуспел, особенно в искусстве, английском, истории и других языках. Однако директор, признавая его исключительный дар к математике, направил его в науку.

Итак, он читал физику и математику в Университетский колледж, Лестер, окончил в 1939 г. сначала, а затем^{[нужна цитата ]} получил докторскую степень в области ядерной физики. Однако это было отменено с началом войны, и вместо этого он пошел работать на Тейлор, Тейлор и Хобсон где он познакомился с оптическим дизайном.

По какой-то причине ему не был присвоен статус резерва, из-за чего его призвали и ненадолго обучили взрывать мосты. (Он, очевидно, был прирожденным человеком, быстро дослужился до звания «действующего бесплатного младшего капрала» и получил приз за свою скорость разборки и сборки винтовки.) Ошибка этого размещения вскоре стала очевидной, и он приступил к работе над проектированием. оптических систем до конца войны и одновременно работал над диссертацией на докторскую степень, которая была получена в 1945 году.

Он начал стажировку в Имперский колледж Лондон в 1947 г. читает лекции по оптике. В следующие двадцать лет он стал одним из выдающихся авторитетов в области оптики. В дополнение к своей собственной работе он привлек большое количество высококвалифицированных аспирантов со всего мира, многие из которых сами стали старшими академиками и исследователями. Его репутация учителя была непревзойденной. Когда он переехал в Университет чтения В 1967 году, чтобы занять вновь созданную кафедру оптики, многие из его бывших студентов магистратуры в Imperial поехали в Рединг, чтобы посетить его лекции. Он всегда считал, что его основная обязанность - это обучение, а исследования - на втором месте. 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».

Он использовал математику в этом предмете. Разработка математического описания поведения оптических систем была в центре его работы в области физики, применение которой привело к появлению множества всемирно известных изобретений. Он решил остаться в Рединге на должности профессора прикладной физической оптики до своего официального выхода на пенсию в 1984 году, отказавшись от множества предложенных ему высших назначений. Он считал, что продолжение его преподавательской и исследовательской работы будет более важным и более полезным для себя. Тем не менее, он очень обрадовался, что удостоил его почетных стипендий всех медицинских королевских колледжей Великобритании, а также высших наград многих ведущих научных организаций мира, включая (в 1973 г.)^[1] Братство Королевское общество сам. Награжден орденом 1990 г. Листер Медаль за его вклад в хирургическую науку.^[5] Соответствующее выступление Листера, данное на Королевский колледж хирургов Англии, был доставлен 11 апреля 1991 года и озаглавлен «Развитие современных эндоскопов - настоящее и будущее».^[5] Эта награда за его работу над эндоскопами была необычной, так как обычно она вручается тем, кто работает в области медицины. Награжден орденом 1978 г. Медаль Фредерика Айвза посредством OSA Что гораздо менее известно о Гарольде Хопкинсе, так это то, что он был также политически убежденным человеком левого толка, будучи одним из первых членов Коммунистической партии Великобритании. Происходя из бедных и малообеспеченных семей, 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 улучшения

Зум-объективы

Следуя подходу конца 1940-х гг. BBC, который хотел, чтобы один объектив заменил классическую «башню» объективов с разным фокусным расстоянием, он произвел уже знакомый зум-объектив. Хотя ранее предпринимались попытки создать объектив, который мог бы обеспечивать непрерывно изменяющееся увеличение без повторной фокусировки, ни один из них не мог обеспечить изображение хорошего качества во всех диапазонах масштабирования и диафрагмы. Конструкция зум-объектива намного сложнее и труднее, чем конструкция с фиксированным фокусным расстоянием. Производительность зум-объектива, разработанного Хопкинсом, была такова, что он произвел революцию в телевизионных изображениях, особенно вне радиовещания, и открыл путь повсеместному использованию масштабирования в современных визуальных средствах массовой информации. Тем более он был примечателен тем, что производился до компьютера, а расчеты трассировки лучей выполнялись на больших настольных электромеханических машинах, таких как Калькулятор Маршанта. Несмотря на это, 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 характеристики всех типов линз. Хотя зум-объективы никогда не могут превзойти фиксированные фокусные расстояния, в большинстве приложений различия больше не существенны.

Когерентная волоконная оптика, фиброскопы и эндоскопы со стержневыми линзами

Волоконная оптика

Древние римляне знали, как нагревать и вытягивать из стекла волокна такого маленького диаметра, что они становились гибкими. Они также заметили, что свет, падающий на один конец, передавался на другой. (Теперь мы знаем, что это происходит из-за множественных отражений на внутренней поверхности волокна.) Эти множественные отражения в некотором смысле смешивают световые лучи вместе, тем самым предотвращая передачу изображения по одному волокну (точнее, разные длины пути испытываемые отдельными световыми лучами изменяют свои относительные фазы, поэтому луч бессвязный и, таким образом, невозможно восстановить изображение.) Конечный результат состоит в том, что свет, исходящий из одного волокна, будет своего рода средним значением интенсивности и цвета света, падающего на «передний» конец.

Когерентная волоконная оптика

Если бы пучок волокон можно было расположить так, чтобы концы волокон находились в совпадающих местах на обоих концах, то фокусировка изображения на одном конце пучка создала бы 'пиксель -атированная 'версия в дальнейшем конце, которую можно было просмотреть через окуляр или захвачено камерой. Немецкий студент-медик, Генрих Ламм произвел грубый когерентный пучок в 1930-х годах, возможно, из 400 волокон. Многие волокна были смещены, и у него отсутствовала надлежащая оптика для визуализации. Он также пострадал от утечки в местах соприкосновения соседних волокон; что еще больше ухудшило качество изображения. Чтобы получить 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 виде восьмерки вокруг пары барабанов. Затем, когда было добавлено достаточное количество витков, короткая часть могла быть запечатана смолой, прорезана и все выпрямлено для получения необходимого связная связка. Отполировав концы, он смог добавить оптику, которую он сконструировал для создания объектива и окуляра. Когда-то заключенный в защитную гибкую куртку, родился «фиброскоп» (теперь более известный как фиброскоп). Подробности этого изобретения были опубликованы в статьях Хопкинса в Природа в 1954 г. и Optica Acta в 1955 г. Однако оголенные волокна все еще страдали от утечки света в местах соприкосновения. В то же время голландец Абрахам ван Хил пытался создать связные жгуты и исследовал идею покрытия каждого волокна, чтобы уменьшить перекрестные помехи. Фактически он опубликовал подробности своей работы в том же номере журнала. Природа. В конечном итоге была разработана система для покрытия волокон слоем стекла с более низким показателем преломления (см. Ларри Кертис и др.), 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 на конец объектива от мощного внешнего источника (обычно ксеноновая дуговая лампа ), таким образом, достигается высокий уровень освещения полного спектра, необходимый для детального просмотра и цветной фотографии хорошего качества. В то же время это позволяло фиброскопу оставаться холодным, что было особенно важно для медицинских приложений. (Предыдущее использование маленькой лампы накаливания на конце эндоскопа оставляло выбор между просмотром в очень тусклом красном свете или увеличением светового потока с риском ожога внутри пациента.) В медицинском применении Наряду с улучшением оптики появилась возможность «управлять» наконечником с помощью элементов управления в руках эндоскописта и инновации в дистанционно управляемых хирургических инструментах, содержащихся в теле самого эндоскопа. Это было началом хирургии замочной скважины, какой мы ее знаем сегодня. Эти достижения, конечно, были не менее полезны в промышленном отношении.

Стержневые эндоскопы

Однако существуют физические ограничения на качество изображения фиброскопа. Говоря современной терминологией, жгут, состоящий, скажем, из 50 000 волокон, дает фактически только изображение в 50 000 пикселей, в дополнение к которому продолжающееся изгибание при использовании приводит к разрыву волокон и, таким образом, постепенной потере пикселей. В конце концов потеряно так много, что придется заменить весь комплект (со значительными расходами). Хопкинс понял, что любое дальнейшее улучшение оптики потребует другого подхода. Предыдущие жесткие эндоскопы страдали очень низким коэффициентом пропускания света и чрезвычайно низким качеством изображения. Хирургическая потребность в прохождении хирургических инструментов, а также системы освещения внутри трубки эндоскопа, размеры которой ограничены человеческим телом, оставляли очень мало места для оптики визуализации. Крошечные линзы традиционной системы требовали опорных колец, которые закрывали бы большую часть площади линзы. Кроме того, их было невероятно сложно изготавливать и собирать - и почти бесполезно оптически. Изящное решение, изобретенное Хопкинсом (в 1960-х годах), заключалось в использовании стеклянных стержней для заполнения воздушных промежутков между «маленькими линзами», от которых можно было бы вообще отказаться. Эти стержни точно подходят к трубке эндоскопа, что делает их самоустанавливающимися и не требует 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 свет от мощного внешнего источника. При соответствующей кривизне и покрытиях на концах стержней и оптимальном выборе типов стекла, все это было рассчитано и определено Хопкинсом, качество изображения было преобразовано - уровни освещенности были увеличены до восьмидесяти раз без нагрева; наконец-то было достигнуто разрешение мелких деталей; цвета теперь были верными; возможны диаметры всего в несколько миллиметров. Благодаря высококачественному «телескопу» такого маленького диаметра инструменты и система освещения можно было удобно разместить внутри внешней трубы.

Хопкинс запатентовал свою систему линз в 1959 году. Увидев перспективу в этой системе, Karl Storz GmbH купил патент и в 1967 году начал производить эндоскопические инструменты с невероятно ярким изображением и превосходным освещением.^[6] Так началось долгое и продуктивное сотрудничество между Хопкинсом и Сторцем. Хотя есть области тела, которые навсегда потребуют гибких эндоскопов (в основном желудочно-кишечный тракт), эндоскопы с жесткими стержневыми линзами обладают такими исключительными характеристиками, что они и по сей день являются предпочтительным инструментом и в действительности являются решающим фактором в современных условиях. хирургия замочной скважины.

Функция передачи модуляции

До его работы разрешение оптической системы в основном оценивалось с использованием 3-полосных диаграмм разрешения, причем предел разрешения был основным критерием. Но Гарольд учился в Университете Безансона с Duffieux, которые уже начали закладывать основы фурье-оптики. Основополагающая статья,^[7] который он представил в 1962 году, когда поставил Томас Янг Орейшн из Институт Физики, был одним из первых, кто установил функцию передачи модуляции (MTF) - иногда называемую функцией передачи контраста (CTF) - в качестве ведущего показателя 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 является обратной величиной периода рисунка на этом изображении, обычно измеряемой в циклах / мм. Контраст, нормализованный, чтобы сделать контраст на нулевой пространственной частоте равным единице, выраженный как функция пространственной частоты, является определением передаточной функции модуляции. MTF по-прежнему используется разработчиками оптики в качестве основного критерия качества изображения, хотя его измерение в производстве менее распространено, чем раньше. Сегодня он рассчитывается на основе данных объектива с помощью такого программного обеспечения, как ОСЛО, Земакс и Код V.

Оптика для лазерных дисков и компакт-дисков

Первоначально аналоговая система воспроизведения видео, Philips лазерный диск формат был адаптирован к цифровому формату в конце 1970-х и стал предшественником CD и DVD. Цифровые данные закодированы в виде серии углублений на отражающем диске. Они расположены по спиральной траектории, так что лазер может считывать их последовательно (аналогично стилусу, движущемуся по канавке на виниловая пластинка ). Лазер должен быть сфокусирован и отслежен по этому пути, а также отраженный луч должен быть собран, отклонен и измерен. Прототипом оптики для этого была дорогая конструкция стеклянных линз. Хопкинс смог показать с помощью полного математического анализа системы, что с тщательно рассчитанной геометрией вместо этого можно использовать цельный кусок прозрачной формованной пластмассы. Это продолжает оставаться основным фактором низкой стоимости лазерных устройств чтения дисков (таких как проигрыватели компакт-дисков).

Здание Хопкинса, Университет Рединга

12 июня 2009 года его сын официально открыл здание Хопкинса. Кельвин Хопкинс, депутат от лейбористской партии Лутон-Норт. Это объединило под одной крышей биомедицинские и фармацевтические исследовательские интересы Университета. Хотя это новое здание не связано напрямую с применением оптики, оно, следуя высочайшим стандартам преподавания и исследований, предоставило возможность почтить память одного из самых выдающихся ученых Университета.

Рекомендации

1. McCombie, C.W .; Смит, Дж. К. (1998). "Гарольд Гораций Хопкинс. 6 декабря 1918-22 октября 1994". Биографические воспоминания членов Королевского общества. 44: 239–252. Дои:10.1098 / rsbm.1998.0016.
2. «Оксфордский национальный биографический словарь». Оксфордский национальный биографический словарь (онлайн-изд.). Издательство Оксфордского университета. 2004 г. Дои:10.1093 / ссылка: odnb / 55032. (Подписка или Членство в публичной библиотеке Великобритании требуется.)
3. Берчи, Г. (1995). «Профессор Гарольд Х. Хопкинс». Хирургическая эндоскопия. 9 (6). Дои:10.1007 / BF00187935.
4. Чтение библиотек, Хопкинс, профессор Гарольд Гораций (1918–1994), физик и эндоскопист
5. Листер Медаль и Речь, Ann R Coll Surg Engl. 1991 март; 73 (2): приложение: Бюллетень колледжей и факультетов, стр. 33.
6. Райнер Энгель (24 октября 2007 г.). «Развитие современного цистоскопа: иллюстрированная история». Medscape Урология. Получено 29 июля 2010.
7. Хопкинс, Х. (1962). «Применение частотных откликов в оптике». Труды физического общества. 79 (5): 889–919. Bibcode:1962PPS .... 79..889H. Дои:10.1088/0370-1328/79/5/301.

внешняя ссылка

• Волоконно-оптическая хронология