Гарольд Хорас Хопкинс FRS [1] (6 декабря 1918 г. – 22 октября 1994 г.) [2] был британским физиком . Его Волновая теория аберраций (опубликованная Oxford University Press в 1950 г.) является центральной для всего современного оптического проектирования и обеспечивает математический анализ, который позволяет использовать компьютеры для создания линз высочайшего качества. В дополнение к его теоретическим работам, его многочисленные изобретения ежедневно используются во всем мире. [3] К ним относятся зум-объективы, когерентная волоконная оптика и, совсем недавно, стержневые линзовые эндоскопы, которые «открыли дверь» современной хирургии через замочную скважину. Он был удостоен многих самых престижных наград в мире и дважды номинировался на Нобелевскую премию. В его благодарственной записке при получении медали Рамфорда от Королевского общества в 1984 г. говорилось: «В знак признания его многочисленных вкладов в теорию и проектирование оптических инструментов, особенно широкого спектра важных новых медицинских инструментов, которые внесли значительный вклад в клиническую диагностику и хирургию». [4]
Хопкинс родился в бедной семье в трущобах Лестера в 1918 году, и его выдающийся ум был признан рано. Благодаря своей гениальности и удаче иметь поддержку как семьи, так и учителей, он получил одну из двух стипендий во всем Лестершире, что позволило ему посещать школу The Gateway Grammar School. Там он преуспел, особенно в искусстве, английском, истории и других языках. Однако директор школы, 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 с отличием, а затем [ нужна цитата ] начал докторскую диссертацию по ядерной физике . Однако это было отменено из-за начала войны, и он пошел работать в Taylor, Taylor & Hobson , где познакомился с оптическим дизайном.
Хопкинсу по непонятной причине не дали статус резервиста, что привело к его призыву и недолгому обучению подрыву мостов. (Он был прирожденным солдатом, быстро дослужился до звания «исполняющего обязанности младшего капрала без жалования» и выиграл приз за скорость разборки и сборки винтовки.) Ошибочность такого размещения вскоре стала очевидной, и его отправили работать над проектированием оптических систем до конца войны, одновременно работая над диссертацией на степень доктора философии, которая была получена в 1945 году.
Он начал исследовательскую стажировку в Имперском колледже Лондона в 1947 году, читая лекции по оптике. В течение следующих двадцати лет он стал одним из ведущих авторитетов в области оптики. В дополнение к своей собственной работе он привлек большое количество высококлассных аспирантов со всего мира, многие из которых сами стали старшими преподавателями и исследователями. Его репутация как преподавателя была непревзойденной. Когда он переехал в Редингский университет в 1967 году, чтобы занять недавно созданную кафедру оптики, многие из его бывших студентов магистратуры в Имперском колледже приезжали в Рединг, чтобы посещать его лекции. Он всегда считал, что его главная обязанность — преподавание, 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 жизненного дела в физике – применение которого привело к появлению многих всемирно известных изобретений. Он решил остаться в Рединге на посту профессора прикладной физической оптики до своей отставки в 1984 году, отклонив многочисленные высшие назначения, которые ему предлагали. Он считал, что продолжение его преподавательской и исследовательской работы было более важным и гораздо более полезным для него лично. Тем не менее, он был очень рад тому, что ему присудили почетные членские звания всех медицинских королевских колледжей в Великобритании, а также высшие награды многих ведущих мировых научных организаций, включая (в 1973 году) [1] членство самого Королевского общества . В 1990 году он был награжден медалью Листера за вклад в хирургическую науку. [5] Сопроводительная речь Листера, произнесенная в Королевском колледже хирургов Англии , была произнесена 11 апреля 1991 года и называлась «Развитие современных эндоскопов — настоящее и будущие перспективы». [5] Эта награда за его работу над эндоскопами была необычной, поскольку обычно ее вручают кому-то в области медицины. В 1978 году он был награжден медалью Фредерика Айвса OSA , где он также был членом общества. Менее известно о Гарольде Хопкинсе то, что он также был политически преданным левым человеком, будучи одним из первых членов Коммунистической партии Великобритании. Выходец из бедной и непривилегированной семьи, он понимал, насколько важны равные возможности и хорошее образование, чтобы обычные молодые люди из рабочего класса, такие как он, могли преуспеть в обществе.
В ответ на запрос в конце 1940-х годов от BBC , которая хотела иметь один объектив для замены классической «башни» из объективов с разным фокусным расстоянием, он создал знакомый нам зум-объектив . Хотя и были более ранние попытки создать объектив, который мог бы достигать непрерывно изменяющегося увеличения без повторной фокусировки, ни один из них не мог обеспечить качественное изображение во всем диапазоне масштабирования и диафрагмы. Конструкция зум-объектива намного сложнее и труднее, чем у объектива с фиксированным фокусным расстоянием. Характеристики зум-объектива, разработанного Хопкинсом, произвели революцию в телевизионном изображении, особенно в наружных трансляциях, и открыли путь к повсеместному использованию масштабирования в современных визуальных средствах массовой информации. Он был еще более замечателен тем, что был произведен до появления компьютеров, расчеты трассировки лучей выполнялись на больших настольных электромеханических машинах, таких как калькулятор Марчанта . Тем не менее, 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, покрытий и производственных технологий преобразило производительность всех типов объективов. Хотя зум-объективы никогда не превзойдут объективы с фиксированным фокусным расстоянием, в большинстве приложений эти различия уже не существенны.
Древние римляне знали, как нагревать и вытягивать стекло в волокна такого малого 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 вместе, тем самым предотвращая передачу изображения одним волокном – (точнее, различные длины путей, пройденные отдельными световыми лучами, изменяют их относительные фазы, делая луч некогерентным и, таким образом, неспособным восстановить изображение.) Конечный результат заключается в том, что свет, выходящий из одного волокна, будет средним значением интенсивности и цвета света, падающего на падающий конец.
Если бы пучок волокон можно было расположить так, чтобы их концы находились в соответствующих положениях на обоих концах, то фокусировка изображения на одном конце пучка давала бы « пикселизированную » версию на дальнем конце, которую можно было бы увидеть через окуляр или запечатлеть камерой. Немецкий студент-медик Генрих Ламм в 1930-х годах создал грубый когерентный пучок, возможно, из 400 волокон. Многие из волокон были смещены, и у него не было надлежащей оптики для получения изображений. Он также страдал от утечки в местах соприкосновения соседних волокон, что еще больше ухудшало изображение. Чтобы создать полезное изображение, пучок должен был содержать не несколько сотен, а десятки тысяч волокон, все из которых были бы правильно выровнены. В начале 1950-х годов Хопкинс придумал способ добиться этого. Он предложил наматывать одну непрерывную длину волокна в виде восьмерки вокруг пары барабанов. Затем, когда было добавлено достаточно витков, короткий участок можно было запечатать в смоле, разрезать и выпрямить все, чтобы получить требуемый связный пучок . Отполировав концы, он смог добавить разработанную им оптику, чтобы обеспечить объектив и окуляр. После того, как он был заключен в защитную гибкую оболочку, родился «фиброскоп» (теперь чаще называемый фиброскопом). Подробности этого изобретения были опубликованы в статьях Хопкинса в 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 Хеель также пытался создать связные пучки и исследовал идею покрытия каждого волокна для уменьшения этих «перекрестных помех». Он опубликовал подробности своей работы в том же выпуске Nature . В конечном итоге Ларри Кертис и др. разработали систему покрытия волокон слоем стекла с более низким показателем преломления, что позволило снизить 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 к объективу от мощного внешнего источника (обычно ксеноновой дуговой лампы ), тем самым достигая высокого уровня полноспектрального освещения, необходимого для детального просмотра и цветной фотографии хорошего качества. В то же время это позволяло фиброскопу оставаться холодным, что было особенно важно в медицинских приложениях. (Предшествующее использование небольшой лампы накаливания на кончике эндоскопа оставляло выбор между просмотром в очень тусклом красном свете или увеличением светового потока с риском ожога внутренних органов пациента.) В медицинском применении, наряду с улучшением оптики, появилась возможность «управлять» кончиком с помощью элементов управления в руках эндоскописта и инновации в дистанционно управляемых хирургических инструментах, содержащихся в корпусе самого эндоскопа. Это было начало хирургии через замочную скважину, какой мы ее знаем. Эти достижения были в равной степени полезны в промышленности.
Существуют физические ограничения качества изображения фиброскопа. В современной терминологии пучок, скажем, из 50 000 волокон дает эффективное изображение только в 50 000 пикселей — в дополнение к этому, постоянное сгибание при использовании приводит к разрыву волокон и постепенной потере пикселей. В конечном итоге теряется так много, что весь пучок приходится заменять (со значительными затратами). Хопкинс понял, что любое дальнейшее оптическое улучшение потребует другого подхода. Предыдущие жесткие эндоскопы страдали от очень низкого пропускания света и крайне низкого качества изображения. Хирургическое требование прохождения 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 обычной системы требовали опорных колец, которые закрывали большую часть области линзы. Их было невероятно сложно изготавливать и собирать — и оптически они были минимально полезны. Элегантное решение, которое Хопкинс придумал в 1960-х годах, состояло в использовании стеклянных стержней для заполнения воздушных пространств между «маленькими линзами», от которых затем можно было бы вообще отказаться. Эти стержни точно подходили к трубке эндоскопа, что делало их самовыравнивающимися и не требовало никакой другой поддержки. С ними было намного проще обращаться, и они использовали максимально возможный диаметр. Как и в случае с фиброскопами, пучок стеклянных волокон передавал бы освещение от мощного внешнего источника. С соответствующей кривизной и покрытиями концов стержней и оптимальным выбором типов стекла, все рассчитанное и указанное Хопкинсом, качество изображения было преобразовано — уровни освещенности увеличились в восемьдесят раз без нагрева; наконец-то было достигнуто разрешение мелких деталей; цвета стали настоящими; и стали возможны диаметры всего в несколько миллиметров. С высококачественным «телескопом» такого малого диаметра инструменты и система освещения могли быть удобно размещены внутри внешней трубки.
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. [6] Так началось долгое и продуктивное партнерство между Хопкинсом и Шторцем. Хотя существуют области тела, которые всегда будут требовать гибких эндоскопов (в основном желудочно-кишечный тракт), жесткие стержневые линзовые эндоскопы обладают такими исключительными характеристиками, что они остаются инструментом выбора и стали фактором, способствующим развитию современной хирургии через замочную скважину.
До работы Хопкинса разрешение оптической системы в основном оценивалось с помощью 3-полосных диаграмм разрешения, причем предел разрешения был основным критерием. Но Гарольд учился в Университете Безансона у Дюффье , который уже начал закладывать основы Фурье-оптики. Основополагающая работа [7] , которую он представил в 1962 году, когда он выступил с речью Томаса Янга в Институте физики , была одной из первых, установивших 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 в интенсивностях между пиками и впадинами, деленная на сумму. Пространственная частота является обратной величиной периода рисунка на этом изображении, обычно измеряемого в циклах/мм. Контраст, нормализованный так, чтобы сделать контраст при нулевой пространственной частоте равным единице, выраженный как функция пространственной частоты, является определением функции передачи модуляции. MTF по-прежнему используется разработчиками оптики как главный критерий качества изображения, хотя его измерение в производстве менее распространено, чем раньше. Он рассчитывается на основе данных объектива с использованием программного обеспечения, такого как OSLO , Zemax и Code V.
Первоначально аналоговая система воспроизведения видео, формат лазерных дисков Philips был адаптирован к цифровому формату в конце 1970-х годов и стал предшественником CD и DVD. Цифровые данные кодируются как ряд углублений в отражающем диске. Они расположены вдоль спиральной траектории, которую лазер может считывать последовательно (подобно игле, следующей по канавке на виниловой пластинке ). Лазер должен быть сфокусирован и отслеживать этот путь, а отраженный луч должен быть собран, отклонен и измерен. Прототип оптики для достижения этого представлял собой дорогостоящее устройство из стеклянных линз. Хопкинс смог показать с помощью тщательного математического анализа системы, что при тщательно рассчитанной геометрии можно было использовать вместо этого цельный кусок прозрачного формованного пластика. Это продолжает оставаться основным фактором низкой стоимости лазерных считывателей дисков (таких как проигрыватели компакт-дисков).
12 июня 2009 года здание Хопкинса было официально открыто его сыном Кельвином Хопкинсом , депутатом парламента от лейбористской партии от округа Лутон-Норт. Это объединило под одной крышей интересы биомедицинских и фармацевтических исследований университета. Хотя это новое учреждение не было напрямую вовлечено в применение оптики, оно, следуя высочайшим стандартам обучения и исследований, предоставило возможность почтить одного из самых выдающихся ученых университета.