Войти
| Гарольд Хопкинс | |
|---|---|
 | |
| Родился | 6 декабря 1918 года. Лестер, Англия, Великобритания |
| Умер | 22 октября 1994 (1994-10-23) (в возрасте 75 лет). Ридинг, Англия, Великобритания |
| Гражданство | Британия |
| Известен за | трансфокатор. Фибероскопы. Стержневые линзы эндоскопы для хирургии замочной скважины. Оптика для лазерных дисков /CD. Borescopes. Волновая теория аберраций |
| Награды | Золотая медаль SPIE (1982). Медаль Рамфорда ( 1984). Член Королевского общества |
| Научная карьера | |
| Области | Физика, Оптика, Математика |
| Учреждения | Университет Рединга. Имперский колледж |
| Известные студенты | Ашок Сисодия. Мария Изуэль |
Гарольд Гораций Хопкинс FRS (6 декабря 1918 - 22 октября 1994) был британским физиком. Его волновая теория аберраций (опубликована 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. К ним относятся зум-линзы, когерентная 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 ссылка на получение медали Рамфорда от Королевского общества в 1984 г. гласит: «В знак признания его большого вклада в теорию и разработку оптических инструментов, особенно широкого круга важных новые медицинские инструменты, которые внесли большой вклад в клиническую диагностику и хирургию ».
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 Grammar School 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 изучал физику и математику в Университетском колледже в Лестере, окончил его в 1939 году, получив сначала, а затем получил докторскую степень в области ядерной физики. Однако это было отменено с началом войны, и вместо этого он пошел работать в Taylor, Taylor Hobson, где его познакомили с оптическим дизайном.
По какой-то причине ему не был присвоен статус зарезервированной оккупации, что привело к тому, что его призвали и ненадолго обучили взрывать мосты. (Он, очевидно, был прирожденным человеком, быстро дослужился до звания «действующего неоплачиваемого младшего капрала» и получил приз за скорость разборки и сборки винтовки.) Ошибка этого размещения вскоре стала очевидной, и он приступил к проектированию. оптических систем до конца войны, и в то же время он смог работать над диссертацией на докторскую степень, которая была получена в 1945 году.
Он начал научную стажировку в Имперском колледже Лондона В 1947 г. читал лекции по оптике. В следующие двадцать лет он стал одним из выдающихся авторитетов в области оптики. В дополнение к своей 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 Рединга в 1967 году, чтобы занять недавно созданную кафедру оптики, многие из его бывших студентов магистратуры в Имперском университете 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 году) стипендию Королевского общества . сам. Он был награжден медалью Листера 1990 за вклад в хирургическую науку. Соответствующий Lister Oration, представленный в Королевском колледже хирургов Англии, был вручен 11 апреля 1991 года и озаглавлен «Развитие современных эндоскопов - настоящее и будущее». Эта награда за его работу над эндоскопами была необычной, так как обычно она вручается тем, кто работает в области медицины. Он был награжден медалью Фредерика Айвса 1978 года согласно OSA. Что гораздо менее известно о Гарольде Хопкинсе, так это то, что он также был политически преданным левым человеком, 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, такие как он, могли процветать в обществе.
Следуя подходу конца 1940-х годов BBC, который хотел, чтобы один объектив заменил классический «турель» из линз с разным фокусным расстоянием, он произвел знакомый теперь зум-объектив. Хотя ранее предпринимались попытки создать линзу, которая могла бы обеспечивать непрерывно изменяющееся увеличение без повторной фокусировки, ни одна из них не могла обеспечить изображения хорошего качества во всех диапазонах масштабирования и диафрагмы. Конструкция зум-объектива намного сложнее и труднее, чем у объектива с фиксированным фокусным расстоянием. Характеристики зум-объектива, разработанного Хопкинсом, были таковы, что он произвел революцию в телевизионных изображениях, особенно вне радиовещания и открыли путь повсеместному использованию масштабирования в современных визуальных средах. Это было тем более примечательно тем, что производилось до компьютера, а вычисления трассировки лучей выполнялись на больших настольных электромеханических машинах, таких как Marchant Calcu lator. 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.
Древние римляне знали, как нагревать и вытягивать стекло в волокна такого малого диаметра, что они стал гибким. 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 отдельные световые лучи изменяют свои относительные фазы, что делает луч некогерентным и, таким образом, не может воссоздать изображение.) Конечным результатом является то, что свет, исходящий из одного волокна, будет иметь некое среднее значение интенсивности и цвета света. падение на "передний" конец.
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 приводила бы к версия «пикселя -сатинированная» на дальнем конце, которую можно было увидеть через окуляр или зафиксировать камерой. Немецкий студент-медик Генрих Ламм произвел грубую связную связку 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, короткую секцию можно было запечатать смолой, разрезать и выпрямить целиком для получения требуемого связного жгута. 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 Nature в 1954 году и Optica Acta в 1955 году. 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 Nature. В конце концов 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 оказались чрезвычайно полезными как в медицине, так и в промышленности (где обычно используется термин бороскоп ). Другие инновации включали использование дополнительных волокон для направления света на объектив от мощного внешнего источника (обычно ксеноновой дуговой лампы ), что позволило достичь высокого уровня освещения полного спектра, необходимого для детального просмотра и хорошего качества цвета. фотография. 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.
Однако существуют физические ограничения на качество изображения фиброскопа. Говоря современной терминологией, жгут из, скажем, 50 000 волокон дает эффективно только изображение в 50 000 пикселей, в дополнение к которому постоянное изгибание во время использования ломает волокна и, таким образом, постепенно теряет пиксели. 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 формирования изображений. 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 покрытии на концах стержней и оптимальном выборе типов стекла, все это было рассчитано и определено Хопкинсом, качество изображения было изменено - уровни освещенности были увеличены в восемьдесят 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 перспективность этой системы, Karl Storz GmbH выкупил патент и в 1967 году начал производить эндоскопические инструменты с невероятно ярким изображением и великолепным освещением. 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.
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 у Даффье, который уже начал закладывать основы оптики Фурье. Основополагающая статья, которую он представил в 1962 году, когда представил Thomas Young Oration из Института физики, была одной из первых, кто установил передаточную функцию модуляции (MTF) - иногда называется функцией передачи контраста (CTF) - как ведущий показатель 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 использованием таких программ, как OSLO, Zemax и Code V.
Первоначально аналоговая система воспроизведения видео, формат Philips laserdisc был адаптирован к цифровому формату в конце 1970-х годов и явился 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, проходящему по канавке на виниловой пластинке ). 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).
12 июня 2009 года здание Хопкинса было официально открыто его сыном Кельвином Хопкинсом, членом парламента 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.
