Harold Hopkins (physicist)

Harold Hopkins
Geboren	6. Dezember 1918 Leicester, England, Großbritannien
Gestorben	22. Oktober 1994 (75 Jahre) Lektüre, England, Großbritannien
Staatsangehörigkeit	britisch
Bekannt für	Zoomobjektiv Faserskope Rodlinse Endoskope zum Schlüssellochoperation Optik für Laserdisc/CD Boorsland Wellenentheorie der Aberrationen
Auszeichnungen	Spie Goldmedaille (1982) Rumford -Medaille (1984) Fellow der Royal Society[1]
Wissenschaftliche Karriere
Felder	Physik, Optik, Mathematik
Institutionen	Universität von Reading Imperial College London
Bemerkenswerte Schüler	Ashok Sisodia María Yzuel

Harold Horace Hopkins FRS^[1] (6. Dezember 1918 - 22. Oktober 1994)^[2] war ein Briten Physiker. Seine Wellentheorie der Aberrationen (veröffentlicht von Oxford University Press 1950) ist von zentraler Bedeutung für alle modernen optischen Designs und bietet die mathematische Analyse, mit der die Verwendung von Computern die heute verfügbare hochwertige Linsen schaffen können. Zusätzlich zu seiner theoretischen Arbeit werden seine vielen Erfindungen weltweit täglich genutzt.^[3] Dazu gehören Zoomlinsen, kohärent Glasfaseroptik und in jüngerer Zeit die Endoskope der Rodlinse, die die Tür für die moderne Schlüssellochoperation „öffneten“. Er erhielt viele der prestigeträchtigsten Auszeichnungen der Welt und wurde zweimal für einen Nobelpreis nominiert. Sein Zitat über den Empfang der Rumford -Medaille von dem königliche Gesellschaft 1984 erklärte: "In Anerkennung seiner zahlreichen Beiträge zur Theorie und des Designs optischer Instrumente, insbesondere einer Vielzahl wichtiger neuer medizinischer Instrumente, die einen wesentlichen Beitrag zur klinischen Diagnose und Operation geleistet haben."^[4]

Biografie

Er wurde in eine arme Familie in den Slums von geboren Leicester 1918 wurde und sein bemerkenswerter Geist frühzeitig anerkannt. Aufgrund seines eigenen Genies und des Glücks, sowohl seine Familie als auch die Lehrer zu unterstützen, erhielt er eines von nur zwei Stipendien in ganz Leicestershire, sodass er die Gateway -Grammatikschule besuchen konnte. Dort überragte er, besonders in Kunst, Englisch, Geschichte und anderen Sprachen. Der Schulleiter, der sein außergewöhnliches Geschenk für die Mathematik erkannte, richtete ihn jedoch in die Wissenschaft.

Also las er Physik und Mathematik bei Universitätskollegin, Leicester, schloss 1939 ab und startete dann einen Doktortitel in der Kernphysik. Dies wurde jedoch beim Ausbruch des Krieges abgesagt, und er ging stattdessen zur Arbeit Taylor, Taylor & Hobson wo er in optisches Design vorgestellt wurde.

Aus irgendeinem Grund erhielt er keinen reservierten Status der Besatzung, was dazu führte, dass er angerufen wurde und kurz in Brücken ausgeblasen wurde. (Er war offensichtlich ein natürlicher, schnell auf den Rang eines „Schauspiels unbezahlten Lance Corporal“ und gewann einen Preis für seine Geschwindigkeit, um sein Gewehr abzubauen und wieder zusammenzusetzen.) Der Fehler dieser Platzierung wurde bald erkennbar und er musste an der Gestaltung arbeiten Optische Systeme für den Rest des Krieges und gleichzeitig in der Lage waren, an einer These für seine Doktorarbeit zu arbeiten, die 1945 erhalten wurde.

Er begann ein Forschungsstipendium bei Imperial College London 1947 Vorträge in Optik. In den nächsten zwanzig Jahren wurde er zu einer der wichtigsten Behörden auf dem Gebiet der Optik. Zusätzlich zu seiner eigenen Arbeit zog er eine große Anzahl hochwertiger Doktoranden aus aller Welt an, von denen viele selbst leitende Akademiker und Forscher wurden. Sein Ruf als Lehrer war unübertroffen. Als er zu sich zog zu Reading University 1967, um den neu geschaffenen Stuhl in Optics aufzunehmen, reisten viele seiner ehemaligen MSC -Studenten bei Imperial nach Reading, um an seinen Vorträgen teilzunehmen. Er glaubte immer, dass seine Hauptverantwortung seine Lehre war und dass die Forschung an zweiter Stelle kam. Er war jedoch auch völlig überzeugt, dass Lehre und wissenschaftliche Forschung von entscheidender Bedeutung für einander waren. "Nur wenn Sie versuchen, etwas zu lehren, entdecken Sie, ob Sie es wirklich verstehen."

Er verwendete Mathematik in diesem Thema. Die Entwicklung der mathematischen Beschreibung des Verhaltens von optischen Systemen stand im Mittelpunkt seines Lebenswerks in der Physik-deren Anwendung so viele weltberühmte Erfindungen hervorbrachte. Er beschloss, bis zu seinem offiziellen Pensionierung im Jahr 1984 im Amt des Professors für angewandte physische Optik zu bleiben, und lehnte die zahlreichen Top -Ernennungen, die ihm angeboten wurden, ab. Er glaubte, die Fortsetzung seiner Lehr- und Forschungsarbeit als wichtiger und weitaus lohnender zu sein. Er war jedoch große Freude daran, ihm die Ehrenstipendien aller medizinischen königlichen Hochschulen in Großbritannien sowie die höchsten Auszeichnungen vieler der weltweit führenden wissenschaftlichen Gremien, einschließlich (1973), zusammen mit den höchsten Auszeichnungen der Welt verliehen zu haben.^[1] die Gemeinschaft der königliche Gesellschaft selbst. Er wurde 1990 ausgezeichnet Lister -Medaille für seine Beiträge zur chirurgischen Wissenschaft.^[5] Die entsprechende Listerrede, angegeben am Royal College of Surgeons of England, wurde am 11. April 1991 geliefert und den Titel "Die Entwicklung der modernen Endoskope - Gegenwart und Zukunftsaussichten".^[5] Diese Auszeichnung war für seine Arbeit an Endoskopen ungewöhnlich, da sie normalerweise an jemanden vorgenommen wird, der im Bereich der Medizin arbeitet. Er wurde mit dem 1978 ausgezeichnet Frederic Ives Medal bis zum OSA. Was an Harold Hopkins eher weniger bekannt ist, ist, dass er auch ein politisch engagierter Mann der Linken war und ein frühes Mitglied der Kommunistischen Partei Großbritanniens ist. Als er aus einem armen und unterprivilegierten Hintergrund stand, verstand er, wie wesentlich die Chancengleichheit und die gute Bildung waren, wenn die gewöhnlichen Jugendlichen der Arbeiterklasse wie er in der Gesellschaft gedeihen würden.

Wichtige Erfindungen und Verbesserungen

Zoomlinsen

Nach einem Ansatz Ende der 1940er Jahre von der BBC, der wollte, dass ein einzelnes Objektiv den klassischen "Turm" unterschiedlicher Brennwarenlinsen ersetzt, erstellte er den jetzt vertrauten Zoomobjektiv. Obwohl es frühere Versuche gegeben hatte, eine Linse zu produzieren, die kontinuierlich unterschiedliche Vergrößerung ohne Neuausfindung erreichen könnte, konnte keiner von ihnen während ihrer gesamten Zoom- und Blende-Reiche ein hochwertiges Bild liefern. Das Design eines Zoomobjektivs ist enorm komplizierter und schwieriger als das einer festen Brennweite. Die Leistung der Hopkins entworfenen Zoom-Objektiv war so, dass es Fernsehbilder, insbesondere außerhalb von Broadcasts, revolutionierte und den Weg für die allgegenwärtige Verwendung von Zooming in modernen visuellen Medien öffnete. Umso bemerkenswerter für die Herstellung von Vorkomputer. Marschantrechner. Trotzdem blieben die frühen Zoomobjektive immer noch hinter den festen Objektiven. Die Anwendung von Computer-Design-Programmen auf der Grundlage seiner Wellentheorie der Aberrationen in Verbindung mit neuen Arten von Glas-, Beschichtungs- und Fertigungstechniken hat die Leistung aller Arten von Linsen verändert. Während Zoomlinsen die festen Brennweiten niemals übertreffen können, sind die Unterschiede in den meisten Anwendungen nicht mehr signifikant.

Kohärente Faseroptik, Fibroskope und Stangenlinsen-Endoskope

Glasfaseroptik

Die alten Römer wussten, wie man Glas in Fasern von so kleinem Durchmesser erhitzt und zeichnet, dass sie flexibel wurden. Sie beobachteten auch, dass Licht, das an einem Ende fällt, zum anderen übertragen wurde. (Wir wissen nun, dass dies auf mehreren Reflexionen an der inneren Oberfläche der Faser zurückzuführen ist.) Diese Mehrfachreflexionen mischen die Lichtstrahlen zusammen, wodurch ein Bild verhindern wird, das von einer einzelnen Faser übertragen wird (genauer Erleben Sie durch einzelne Lichtstrahlen ihre relativen Phasen, sodass der Strahl rendert inkohärent und daher nicht in der Lage, das Bild wiederherzustellen.) Das Endergebnis ist, dass das Licht, das aus einer einzelnen Faser hervorgeht, eine Art Durchschnitt der Intensität und Farbe des Lichts sein wird, das auf das "vordere" Ende fällt.

Kohärente Glasfaser

Wenn ein Bündel von Fasern so angeordnet werden könnte, dass sich die Enden der Fasern an beiden Ende an passenden Stellen befanden, würde das Fokussieren eines Bildes auf ein Ende des Bündels eine 'erzeugen' eine ''Pixel-ated 'Version am weiteren Ende, die über eine betrachtet werden konnte Okular oder von einer Kamera aufgenommen. Ein deutscher Medizinstudent, Heinrich Lamm produzierte in den 1930er Jahren mit vielleicht 400 Fasern ein grobes zusammengefasstes Bündel. Viele der Fasern wurden falsch ausgerichtet und es fehlte an der richtigen Bildgebungsoptik. Es litt auch unter Leckagen, bei denen benachbarte Fasern berührten; was das Bild noch weiter verschlechterte. Um ein nützliches Bild zu erzeugen, müsste das Bündel nicht einige hundert, aber Zehntausende von Fasern enthalten, die alle korrekt ausgerichtet sind. In den frühen 1950er Jahren entwickelte Hopkins einen Weg, dies zu erreichen. Er schlug vor, eine einzelne kontinuierliche Faserlänge in einer achtartigen Figur um ein Paar Trommeln zu wickeln. Dann, wenn ausreichende Kurven hinzugefügt worden waren, konnte ein kurzer Abschnitt in Harz versiegelt werden, durchschnitt und das Ganze ausgerichtet, um die erforderlichen zu erzeugen kohärentes Bündel. Nachdem er die Enden poliert hatte, war er in der Lage, die Optik hinzuzufügen, die er für ein Ziel und ein Okular liefern konnte. Einmal in einer schützenden flexiblen Jacke eingeschlossen, wurde das 'Fibroskop' (jetzt häufiger als Fiberskop bezeichnet) geboren. Details dieser Erfindung wurden in Papieren von Hopkins in veröffentlicht Natur im Jahr 1954 und Optica Acta 1955. Die nackten Fasern litten jedoch immer noch unter leichter Leckagen, wo sie sich berührten. Zur gleichen Zeit versuchte Abraham Van Heel auch ein Holländer und versuchte auch, kohärente Bündel zu produzieren, und hatte die Idee, jede Faser zu verkleiden, um dieses „Übersprechen“ zu verringern. Tatsächlich veröffentlichte er Einzelheiten zu seiner Arbeit in derselben Ausgabe von Natur. Schließlich wurde ein System für Verkleidungsfasern mit einer Glasschicht aus niedrigerem Brechungsindex entwickelt (siehe Larry Curtis et al.), Das die Leckage so weit reduzierte, dass das volle Potenzial des Fiberscope realisiert wurde.

Fibroskope und Bohrungen

Fibroskope haben sich sowohl medizinisch als auch industriell als äußerst nützlich erwiesen (wo der Begriff Boorscope ist normalerweise beschäftigt). Weitere Innovationen waren die Verwendung zusätzlicher Fasern, um Licht an das objektive Ende einer leistungsstarken externen Quelle zu leiten (normalerweise a Xenon -Bogenlampe) Dadurch wird das hohe Spektrum -Beleuchtung erreicht, das für detaillierte Betrachtung und Farbfotografie von guter Qualität erforderlich ist. Gleichzeitig ermöglichte dies dem Fibroskop, kühl zu bleiben, was in medizinischen Anwendungen besonders wichtig war. (Die vorherige Verwendung einer kleinen Filamentlampe an der Spitze des Endoskops hatte die Wahl, entweder in einem sehr schwachen rot Neben der Verbesserung der Optik kam die Fähigkeit, die Spitze über Kontrollen in den Händen und Innovationen des Endoskopisten in ferngesteuerten chirurgischen Instrumenten zu „steuern“, die im Körper des Endoskops selbst enthalten sind. Es war der Beginn einer Schlüssel-Loch-Operation, wie wir es heute kennen. Diese Fortschritte waren natürlich gleichermaßen nützlich.

Stabelbene-Endoskope

Die Bildqualität eines Fibroskops gibt jedoch physische Grenzen. In der modernen Terminologie liefert ein Bündel von 50.000 Fasern effektiv nur ein 50.000 Pixelbild - zusätzlich zu dem, dass das fortgesetzte Biegen die Verwendung von Fasern bricht und so schrittweise Pixel verliert. Schließlich gehen so viele verloren, dass das gesamte Bündel ersetzt werden muss (auf beträchtliche Kosten). Hopkins erkannte, dass eine weitere optische Verbesserung einen anderen Ansatz erfordern würde. Frühere starre Endoskope litten unter sehr schwacher Licht und extrem schlechter Bildqualität. Die chirurgische Anforderung, chirurgische Werkzeuge sowie das Beleuchtungssystem tatsächlich innerhalb der Röhre des Endoskops zu bestehen, die selbst durch den menschlichen Körper begrenzt ist, hat nur sehr wenig Raum für die Bildgebungsoptik gelassen. Die winzigen Objektive eines herkömmlichen Systems erforderten Unterstützungsringe, die den Großteil des Objektivbereichs verdecken würden. Sie waren auch unglaublich schwer herzustellen und zu montieren - und optisch fast nutzlos. Die elegante Lösung, die Hopkins (in den 1960er Jahren) entwickelte, bestand darin, Glasstangen zu verwenden, um die Lufträume zwischen den „kleinen Objektiven“ zu füllen, die dann mit insgesamt abgegeben werden konnten. Diese Stäbe passten genau in das Endoskop-Röhrchen und machten sie selbst ausgerichtet und benötigten keine andere Unterstützung. Sie waren viel einfacher zu handhaben und nutzten den maximal möglichen Durchmesser. Wie bei den Fibroskopen würde ein Glasfaserbündel die Beleuchtung von einer starken externen Quelle weiterleiten. Mit der entsprechenden Krümmung und Beschichtungen an den Stangenenden und optimalen Auswahlmöglichkeiten von Glas-Typen, die alle von Hopkins berechnete und angegebene Berechnungen angegeben wurden, wurde die Bildqualität transformiert-die Lichtwerte wurden um bis zu achtzigfalt ohne Wärme erhöht. Die Auflösung des feinen Details wurde schließlich erreicht; Farben waren jetzt wahr; und Durchmesser so klein wie einige Millimeter waren möglich. Mit einem qualitativ hochwertigen 'Teleskop' mit so kleinem Durchmesser könnten das Werkzeug und das Beleuchtungssystem bequem in einem äußeren Röhrchen untergebracht werden.

Hopkins patentierte sein Objektivsystem 1959. Sehen Sie Versprechen in diesem System, Karl Storz GmbH kaufte das Patent und begann 1967, endoskopische Instrumente mit einem unglaublich brillanten Bild und einer hervorragenden Beleuchtung zu produzieren.^[6] So begann eine lange und produktive Partnerschaft zwischen Hopkins und Storz. Während es Regionen des Körpers gibt, die für immer flexible Endoskope benötigen (hauptsächlich des Magen-Darm-Trakts), haben die Endoskope der starren Stangenlinsen eine solche außergewöhnliche Leistung, dass sie bis heute das Instrument der Wahl und in Wirklichkeit der Ermöglichungsfaktor in der Moderne waren Schlüssellochoperation.

Modulationstransferfunktion

Vor seiner Arbeit wurde die Auflösung eines optischen Systems hauptsächlich anhand von 3-Bar-Auflösungsdiagrammen bewertet, wobei die Auflösungsgrenze das Hauptkriterium war. Aber Harold studierte an der Universität Besançon mit Duffieux, der bereits begonnen hatte, die Grundlagen der Fourier -Optik zu legen. Das wegweisende Papier,^[7] was er 1962 präsentierte, als er das lieferte Thomas Young Realation des Institut für Physikwar einer der ersten, der die Modulationstransferfunktion (MTF)-manchmal als Kontrastübertragungsfunktion (CTF) bezeichnet-als Hauptmaß für die Bildqualität in bildbildenden optischen Systemen festgelegt hat. Kurz gesagt, der Kontrast des Bildes eines sinusförmigen Objekts ist definiert als der Unterschied in der Intensität zwischen den Peaks und Tiefern, geteilt durch die Summe. Die räumliche Frequenz ist die gegenseitige Zeit des Musters in diesem Bild, die normalerweise in Zyklen/mm gemessen wird. Der Kontrast, der normalisiert ist, um den Kontrast bei Null räumlicher Frequenz gleich der Einheit zu machen, die als Funktion der räumlichen Frequenz ausgedrückt wird, ist die Definition der Modulationstransferfunktion. MTF wird immer noch von optischen Designern als Hauptkriterium für die Bildqualität verwendet, obwohl die Messung der Produktion weniger weit verbreitet ist als früher. Heute wird es aus den Objektivdaten mit Software wie z. B. berechnet OSLO, Zemax und Code v.

'Laserdisc und CD' Optik

Ursprünglich ein analoges Video-Back-System für Video-Spiele, das Philips Laserdisc Das Format wurde Ende der 1970er Jahre an Digital angepasst und war der Vorläufer der CD und der DVD. Die digitalen Daten werden als eine Reihe von Depressionen in einer reflektierenden Scheibe codiert. Sie sind auf einem Spiralweg angeordnet, so dass ein Laser sie nacheinander lesen kann Schallplatte). Der Laser muss auf diesen Pfad fokussiert sein und verfolgen, und zusätzlich muss der reflektierte Strahl gesammelt, abgeleitet und gemessen werden. Die Prototyp-Optik, um dies zu erreichen, war eine teure Glasobjektivanordnung. Hopkins konnte durch eine vollständige mathematische Analyse des Systems zeigen, dass es mit einer sorgfältig berechneten Geometrie stattdessen ein einzelnes Stück transparentes, verderbter Plastik verwenden konnte. Dies ist weiterhin ein wesentlicher Faktor für die niedrigen Kosten der Laserscheibenreader (wie CD-Player).

Das Hopkins -Gebäude, University of Reading

Am 12. Juni 2009 wurde das Hopkins -Gebäude offiziell von seinem Sohn eröffnet Kelvin Hopkins, der Labour -Abgeordnete für Luton North.Dies brachte unter einem Dach die biomedizinischen und pharmazeutischen Forschungsinteressen der Universität zusammen.Diese neue Einrichtung war zwar nicht direkt an den Anwendungen der Optik beteiligt und bot die Möglichkeit, einen der berühmtesten Akademiker der Universität zu ehren.

Verweise

Externe Links

• Eine faseroptische Chronologie