Harold Horace Hopkins FRS [1] (6 de diciembre de 1918 - 22 de octubre de 1994) [2] fue un físico británico . Su Wave Theory of Aberrations, (publicado por Oxford University Press 1950), es fundamental para todo diseño óptico moderno y proporciona el análisis matemático que permite el uso de computadoras para crear la gran cantidad de lentes de alta calidad disponibles en la actualidad. Además de su trabajo teórico, sus numerosos inventos se utilizan a diario en todo el mundo. [3] Estos incluyen lentes de zoom, fibra óptica coherentey, más recientemente, los endoscopios con lentes de varilla que "abrieron la puerta" a la moderna cirugía de ojo de cerradura. Recibió muchos de los premios más prestigiosos del mundo y fue nominado dos veces al Premio Nobel. Su cita al recibir la Medalla Rumford de la Royal Society en 1984 declaró: "En reconocimiento a sus muchas contribuciones a la teoría y el diseño de instrumentos ópticos, especialmente de una amplia variedad de importantes instrumentos médicos nuevos que han hecho una contribución importante al diagnóstico clínico y cirugía ". [4]
Harold Hopkins | |
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Nació | 6 de diciembre de 1918 Leicester , Inglaterra, Reino Unido. |
Fallecido | 22 de octubre de 1994 (75 años) Reading , Inglaterra, Reino Unido. |
Nacionalidad | británico |
Conocido por | Lente con zoom Fibroscopios Endoscopios con lente de varilla para cirugía de ojo de cerradura Óptica para laserdisc / CD Boroscopios Teoría de las aberraciones de ondas |
Premios | Medalla de oro SPIE (1982) Medalla Rumford (1984) Miembro de la Royal Society [1] |
Carrera científica | |
Campos | Física , Óptica , Matemáticas |
Instituciones | Universidad de Reading Imperial College |
Estudiantes notables | Ashok Sisodia María Yzuel |
Biografía
Nació en el seno de una familia pobre en los suburbios de Leicester en 1918 y su mente extraordinaria fue reconocida desde el principio. Debido a su propio genio y la buena suerte de contar con el apoyo tanto de su familia como de sus profesores, obtuvo una de las dos únicas becas, en todo Leicestershire, que le permitieron asistir a The Gateway Grammar School. Allí se destacó, especialmente en las artes, el inglés, la historia y otros idiomas. Sin embargo, el director, reconociendo su excepcional don para las matemáticas, lo dirigió a la ciencia.
Así que leyó física y matemáticas en University College, Leicester , se graduó en 1939 con una primera y luego [ cita requerida ] comenzó un doctorado en Física Nuclear. Sin embargo, esto se canceló al estallar la guerra, y en su lugar se fue a trabajar para Taylor, Taylor & Hobson, donde conoció el diseño óptico.
Por alguna razón, no se le otorgó el estatus de ocupación reservada, lo que lo llevó a ser llamado a filas y capacitado brevemente para volar puentes. (Obviamente era un natural, ascendió rápidamente al rango de 'cabo de lanza no remunerado en funciones' y ganó un premio por su rapidez en el desmontaje y montaje de su rifle). El error de esta colocación pronto se hizo evidente y se puso a trabajar en el diseño sistemas ópticos durante el resto de la guerra y al mismo tiempo pudo trabajar en una tesis para su doctorado, que obtuvo en 1945.
Comenzó una beca de investigación en el Imperial College de Londres en 1947, dando conferencias en óptica. Los siguientes veinte años lo vieron emerger como una de las principales autoridades en el campo de la óptica. Además de su propio trabajo, atrajo a un gran número de estudiantes de doctorado de alta calidad de todo el mundo, muchos de los cuales se convirtieron en académicos e investigadores de alto nivel. Su reputación como profesor era insuperable. Cuando se trasladó a la Universidad de Reading en 1967 para ocupar la cátedra de óptica recién creada, muchos de sus antiguos alumnos de maestría en Imperial viajarían a Reading para asistir a sus conferencias. Siempre creyó que su principal responsabilidad era la enseñanza y que la investigación ocupaba el segundo lugar. Sin embargo, también estaba totalmente convencido de que la docencia y la investigación científica eran de vital importancia mutua. "Sólo cuando intentas enseñar algo, descubres si realmente lo entiendes".
Usó matemáticas en la asignatura. El desarrollo de la descripción matemática del comportamiento de los sistemas ópticos estuvo en el centro del trabajo de su vida en física, cuya aplicación produjo tantos inventos de fama mundial. Eligió permanecer en Reading en el puesto de profesor de Óptica Física Aplicada hasta su jubilación oficial en 1984, rechazando los numerosos nombramientos superiores que le ofrecieron. Creía que la continuación de su labor docente e investigadora era más importante y mucho más gratificante personalmente. Sin embargo, se alegró mucho de haberle otorgado las Becas Honorarias de todos los Colegios Reales de Medicina de Gran Bretaña, junto con los más altos premios de muchos de los principales organismos científicos del mundo, incluido (en 1973) [1] la Beca de la Royal Society sí mismo. Fue galardonado con la Medalla Lister de 1990 por sus contribuciones a la ciencia quirúrgica. [5] El Lister Oration correspondiente, dado en el Royal College of Surgeons de Inglaterra , fue entregado el 11 de abril de 1991 y se tituló "El desarrollo de los endoscopios modernos: perspectivas presentes y futuras". [5] Este premio, por su trabajo en endoscopios, fue inusual ya que normalmente se otorga a alguien que trabaja en el campo de la medicina. Fue galardonado con el 1978 Frederic Ives Medalla por la OSA . Lo que es bastante menos conocido sobre Harold Hopkins es que también fue un hombre de izquierda políticamente comprometido, siendo uno de los primeros miembros del Partido Comunista de Gran Bretaña. Proveniente de un entorno pobre y desfavorecido, entendió cuán esenciales eran la igualdad de oportunidades y la buena educación para que los jóvenes de la clase trabajadora común como él prosperasen en la sociedad.
Grandes inventos y mejoras
Lentes con zoom
Siguiendo un enfoque de finales de la década de 1940 de la BBC , que quería una sola lente para reemplazar la clásica "torreta" de diferentes lentes de distancia focal, produjo la ahora familiar lente de zoom . Aunque había habido intentos anteriores de producir una lente que pudiera lograr Ampliación continuamente variable sin volver a enfocar, ninguno de ellos podría proporcionar una imagen de buena calidad en todos sus rangos de zoom y apertura. El diseño de una lente con zoom es enormemente más complicado y difícil que el de una distancia focal fija. El rendimiento del diseño de Hopkins La lente de zoom fue tal que revolucionó las imágenes de televisión, especialmente las transmisiones externas, y abrió el camino al uso omnipresente del zoom en los medios visuales modernos. Era aún más notable por haber sido producido antes de la computadora, los cálculos de trazado de rayos se realizaban en grandes máquinas electromecánicas de sobremesa, como la calculadora Marchant . Aun así, las primeras lentes con zoom todavía no llegaban a las lentes fijas. Los programas de diseño por computadora basados en su teoría de ondas de aberraciones junto con nuevos tipos de vidrio, recubrimientos y técnicas de fabricación han transformado el rendimiento de todo tipo de lentes. Si bien los objetivos con zoom nunca pueden superar en rendimiento a las distancias focales fijas, las diferencias ya no son significativas en la mayoría de las aplicaciones.
Fibra óptica coherente, fibroscopios y endoscopios con lente de varilla
Fibra óptica
Los antiguos romanos sabían calentar y extraer el vidrio en fibras de tan pequeño diámetro que se volvían flexibles. También observaron que la luz que caía de un extremo se transmitía al otro. (Ahora sabemos que esto se debe a múltiples reflejos en la superficie interna de la fibra). Estos múltiples reflejos en cierto sentido mezclan los haces de luz, evitando así que una imagen sea transmitida por una sola fibra - (más exactamente, las diferentes longitudes de trayectoria experimentados por rayos de luz individuales alteran sus fases relativas haciendo que el haz sea incoherente y, por lo tanto, incapaz de reconstituir la imagen). El resultado final es que la luz que emerge de una sola fibra será una especie de promedio de la intensidad y el color de la luz. cayendo en el extremo 'delantero'.
Fibra óptica coherente
Si un haz de fibras puede ser dispuesto de tal manera que los extremos de las fibras estaban en ubicaciones que coincidan en cada extremo, a continuación, enfocar una imagen en un extremo del haz produciría un ' pixel -ated' versión en el extremo adicional que podría ser visto a través de un ocular o capturado por una cámara. Un estudiante de medicina alemán, Heinrich Lamm produjo un paquete coherente y tosco en la década de 1930 de quizás 400 fibras. Muchas de las fibras estaban desalineadas y carecían de ópticas de imagen adecuadas. También sufría de fugas donde se tocaban fibras adyacentes; que degradó aún más la imagen. Para producir una imagen útil, el paquete debería contener no unos pocos cientos, sino decenas de miles de fibras, todas correctamente alineadas. A principios de la década de 1950, Hopkins ideó una forma de lograrlo. Propuso enrollar una sola longitud continua de fibra en forma de ocho alrededor de un par de tambores. Luego, cuando se hubieran agregado suficientes vueltas, se pudo sellar una sección corta con resina, cortar y enderezar todo para producir el paquete coherente requerido . Después de pulir los extremos, pudo agregar la óptica que había diseñado para proporcionar un objetivo y un ocular. Una vez encerrado en una funda protectora flexible, nació el 'fibroscopio' (ahora más comúnmente llamado fibroscopio). Los detalles de esta invención se publicaron en artículos de Hopkins en Nature en 1954 y Optica Acta en 1955. Sin embargo, las fibras desnudas todavía sufrían de fugas de luz donde tocaban. Al mismo tiempo, un holandés, Abraham van Heel también estaba tratando de producir paquetes coherentes y había estado investigando la idea de revestir cada fibra para reducir esta 'conversación cruzada'. De hecho, publicó detalles de su trabajo en el mismo número de Nature . Finalmente, se desarrolló un sistema para revestir fibras con una capa de vidrio de índice de refracción más bajo (ver Larry Curtis et al.) Que redujo la fuga hasta tal punto que se logró todo el potencial del fibroscopio.
Fibroscopios y boroscopios
Los fibroscopios han demostrado ser extremadamente útiles tanto médica como industrialmente (donde generalmente se emplea el término boroscopio ). Otras innovaciones incluyeron el uso de fibras adicionales para canalizar la luz hacia el extremo del objetivo desde una fuente externa poderosa (generalmente una lámpara de arco de xenón ) logrando así el alto nivel de iluminación de espectro completo necesario para una visualización detallada y una fotografía en color de buena calidad. Al mismo tiempo, esto permitió que el fibroscopio permaneciera frío, lo que era especialmente importante en aplicaciones médicas. (El uso anterior de una pequeña lámpara de filamento en la punta del endoscopio había dejado la opción de ver con una luz roja muy tenue o aumentar la salida de luz con el riesgo de quemar el interior del paciente). En la aplicación médica, Junto con la mejora de la óptica, vino la capacidad de "dirigir" la punta a través de los controles en las manos del endoscopista y las innovaciones en los instrumentos quirúrgicos operados a distancia contenidos dentro del cuerpo del endoscopio. Fue el comienzo de la cirugía del ojo de la cerradura como la conocemos hoy. Estos avances fueron, por supuesto, igualmente útiles industrialmente.
Endoscopios con lentes de varilla
Sin embargo, existen límites físicos para la calidad de imagen de un fibroscopio. En la terminología moderna, un paquete de, digamos, 50.000 fibras da efectivamente solo una imagen de 50.000 píxeles, además de lo cual, la flexión continua durante el uso, rompe las fibras y pierde píxeles progresivamente. Eventualmente se pierden tantos que el paquete completo debe ser reemplazado (a un costo considerable). Hopkins se dio cuenta de que cualquier mejora óptica adicional requeriría un enfoque diferente. Los endoscopios rígidos anteriores adolecían de una transmitancia de luz muy baja y una calidad de imagen extremadamente baja. El requisito quirúrgico de pasar las herramientas quirúrgicas, así como el sistema de iluminación en realidad dentro del tubo del endoscopio, que a su vez está limitado en dimensiones por el cuerpo humano, dejó muy poco espacio para la óptica de imagen. Las diminutas lentes de un sistema convencional requerían anillos de soporte que oscurecían la mayor parte del área de la lente. También eran increíblemente difíciles de fabricar y ensamblar, y ópticamente casi inútiles. La elegante solución que ideó Hopkins (en la década de 1960) fue usar varillas de vidrio para llenar los espacios de aire entre las "pequeñas lentes", que luego podrían prescindirse por completo. Estas varillas se ajustan exactamente al tubo del endoscopio, lo que las hace autoalineables y no requieren ningún otro soporte. Eran mucho más fáciles de manipular y utilizaron el máximo diámetro posible disponible. Al igual que con los fibroscopios, un haz de fibras de vidrio transmitiría la iluminación desde una poderosa fuente externa. Con la curvatura y los revestimientos apropiados para los extremos de las varillas y las opciones óptimas de tipos de vidrio, todos calculados y especificados por Hopkins, la calidad de la imagen se transformó: los niveles de luz se incrementaron hasta en ochenta veces sin calor; finalmente se logró la resolución de detalles finos; los colores ahora eran verdaderos; y eran posibles diámetros tan pequeños como unos pocos milímetros. Con un 'telescopio' de alta calidad de diámetro tan pequeño, las herramientas y el sistema de iluminación podrían alojarse cómodamente dentro de un tubo exterior.
Hopkins patentó su sistema de lentes en 1959. Al ver que este sistema era prometedor, Karl Storz GmbH compró la patente y en 1967 comenzó a producir instrumentos endoscópicos con una imagen tremendamente brillante y una iluminación excelente. [6] Así comenzó una asociación larga y productiva entre Hopkins y Storz. Si bien hay regiones del cuerpo que siempre requerirán endoscopios flexibles (principalmente el tracto gastrointestinal), los endoscopios de lente de varilla rígida tienen un rendimiento tan excepcional que son hasta el día de hoy el instrumento de elección y, en realidad, han sido el factor habilitador en la tecnología moderna. cirugía mínimamente invasiva.
Función de Transferencia de Modulación
Previo a su trabajo, la resolución de un sistema óptico se evaluaba principalmente mediante gráficos de resolución de 3 barras, siendo el límite de resolución el criterio principal. Pero Harold estudió en la Universidad de Besançon con Duffieux , que ya había comenzado a sentar las bases de la óptica de Fourier. El artículo seminal, [7] que presentó en 1962 cuando pronunció el Thomas Young Oration del Instituto de Física , fue uno de los primeros en establecer la función de transferencia de modulación (MTF), a veces llamada función de transferencia de contraste (CTF). como la medida líder de calidad de imagen en sistemas ópticos de formación de imágenes. Brevemente, el contraste de la imagen de un objeto sinusoidal se define como la diferencia de intensidades entre los picos y los valles, dividida por la suma. La frecuencia espacial es el recíproco del período del patrón en esta imagen, normalmente medido en ciclos / mm. El contraste, normalizado para hacer que el contraste a una frecuencia espacial cero sea igual a la unidad, expresado como una función de la frecuencia espacial, es la definición de la función de transferencia de modulación. Los diseñadores ópticos siguen utilizando MTF como criterio principal de calidad de imagen, aunque su medición en la producción está menos extendida de lo que solía estar. Hoy en día se calcula a partir de los datos del objetivo utilizando un programa como OSLO , Zemax y Código V .
Ópticas 'Laserdisc y CD'
Originalmente un sistema de reproducción de video analógico, el formato de disco láser de Philips se adaptó a digital a fines de la década de 1970 y fue el precursor del CD y DVD. Los datos digitales están codificados como una serie de depresiones en un disco reflectante. Están dispuestos a lo largo de una trayectoria en espiral de modo que un láser pueda leerlos en secuencia (de manera similar a un lápiz que sigue la ranura de un disco de vinilo ). El láser debe enfocarse y seguir esta trayectoria y, además, el rayo reflejado debe recolectarse, desviarse y medirse. El prototipo de óptica para lograr esto fue una costosa disposición de lentes de vidrio. Hopkins pudo demostrar, a través de un análisis matemático completo del sistema, que con una geometría cuidadosamente calculada, era posible utilizar una sola pieza de plástico moldeado transparente en su lugar. Este sigue siendo un factor importante en el bajo costo de los lectores de discos láser (como los reproductores de CD).
El edificio Hopkins, Universidad de Reading
El 12 de junio de 2009, el edificio Hopkins fue inaugurado oficialmente por su hijo Kelvin Hopkins , el diputado laborista de Luton North. Esto reunió bajo un mismo techo, los intereses de investigación biomédica y farmacéutica de la Universidad. Si bien no está directamente involucrado en las aplicaciones de la óptica, esta nueva instalación, en su búsqueda de los más altos estándares de enseñanza e investigación, brindó la oportunidad de honrar a uno de los académicos más ilustres de la Universidad.
Referencias
- ^ a b c McCombie, CW; Smith, JC (1998). "Harold Horace Hopkins. 6 de diciembre de 1918 - 22 de octubre de 1994" . Memorias biográficas de miembros de la Royal Society . 44 : 239-252. doi : 10.1098 / rsbm.1998.0016 .
- ^ "El diccionario de Oxford de biografía nacional". Oxford Dictionary of National Biography (edición en línea). Prensa de la Universidad de Oxford. 2004. doi : 10.1093 / ref: odnb / 55032 . (Se requiere suscripción o membresía a una biblioteca pública del Reino Unido ).
- ^ Berci, G. (1995). "Profesor Harold H. Hopkins". Endoscopia quirúrgica . 9 (6). doi : 10.1007 / BF00187935 . S2CID 32746621 .
- ^ Bibliotecas de lectura, Hopkins, profesor Harold Horace (1918-1994), físico y endoscopista
- ^ a b Medalla y oración de Lister , Ann R Coll Surg Engl. Marzo de 1991; 73 (2): suplemento: Boletín de facultades y universidades, página 33.
- ^ Rainer Engel (24 de octubre de 2007). "Desarrollo del cistoscopio moderno: una historia ilustrada" . Medscape Urology . Consultado el 29 de julio de 2010 .
- ^ Hopkins, HH (1962). "La aplicación de técnicas de respuesta en frecuencia en óptica". Actas de la Sociedad de Física . 79 (5): 889–919. Código Bibliográfico : 1962PPS .... 79..889H . doi : 10.1088 / 0370-1328 / 79/5/301 .
enlaces externos
- Una cronología de fibra óptica