해롤드 홉킨스(물리학자)

해럴드 홉킨스
태어난	1918년 12월 6일 영국, 레스터
죽은	1994년 10월 22일 (1994-10-23) (75세) 레딩, 영국, 영국
국적.	영국의
로 알려져 있다	줌 렌즈 파이버 스코프 키홀 수술용 로드 렌즈 내시경 레이저 디스크/CD용 광학 장치 보어 스코프 수차의 파동 이론
어워드	SPIE 금메달(1982) 럼퍼드 메달(1984년) 왕립학회 펠로우[1]
과학 경력
필드	물리, 광학, 수학
기관	독서 대학 임페리얼 칼리지 런던
주목받는 학생	아쇼크시소디아 마리아 이주엘

해롤드 호레이스 홉킨스 FRS^[1](Harold Horace Hopkins FRS, 1918년 12월 6일 ~ 1994년 ^[2]10월 22일)는 영국의 물리학자이다.옥스퍼드 대학 출판부 1950에 의해 출판된 그의 Wave Theory of Oxford University Press 1950은 모든 현대 광학 디자인의 중심이며 오늘날 이용 가능한 고품질 렌즈를 만들기 위해 컴퓨터를 사용할 수 있는 수학적 분석을 제공합니다.그의 이론적 연구 외에도,^[3] 그의 많은 발명품들은 전 세계에서 매일 사용되고 있다.여기에는 줌 렌즈, 일관성 있는 광섬유, 그리고 현대식 열쇠 구멍 수술의 '개방'을 한 로드 렌즈 내시경이 포함됩니다.그는 세계에서 가장 권위 있는 많은 상을 받았고 노벨상 후보에 두 번 올랐다.1984년 왕립학회로부터 Rumford 메달을 받은 그의 인용문에는 "특히 임상 진단과 ^[4]수술에 주요한 기여를 한 다양하고 중요한 새로운 의료 기구들의 이론과 설계에 대한 그의 많은 공헌을 인정합니다."라고 명시되어 있습니다.

전기

그는 1918년 레스터의 빈민가의 가난한 가정에서 태어났고 그의 뛰어난 정신은 일찍부터 인정받았다.자신의 천재성과 가족과 선생님 모두의 지지를 받는 행운으로 인해, 그는 레스터셔 전역에서 단 두 개의 장학금 중 하나를 획득하여 게이트웨이 그래머 스쿨에 다닐 수 있게 되었다.그곳에서 그는 특히 예술, 영어, 역사, 그리고 다른 언어에서 뛰어났다.하지만, 수학에 대한 그의 특별한 재능을 인정받은 교장은 그를 과학으로 이끌었다.

그래서 그는 레스터의 유니버시티 칼리지에서 물리학과 수학을 공부했고 1939년에 1등으로 졸업하고^{[citation needed]} 핵물리학 박사학위를 받기 시작했다.하지만 전쟁이 발발하면서 취소되었고, 그는 대신 테일러, 테일러 & 홉슨에서 일했고, 그곳에서 광학 디자인을 배웠다.

어떤 이유에서인지 그는 유보적 지위를 부여받지 못했고, 이로 인해 그는 소집되어 잠시 교량 폭파 훈련을 받았다.(그는 분명히 타고난 무급 상병 계급으로 빠르게 올라갔고 소총을 분해하고 재조립하는 속도 때문에 상을 받았다.)이 배치의 오류는 곧 명백해졌고 그는 남은 전쟁 기간 동안 광학 시스템을 설계하는 일을 하게 되었고 동시에 1945년에 취득한 박사 학위 논문을 연구할 수 있었다.

그는 1947년 런던 임페리얼 칼리지에서 광학 강의를 하면서 연구 활동을 시작했다.그 후 20년 동안 그는 광학 분야에서 가장 권위 있는 사람 중 한 명으로 부상했다.그는 자신의 연구 외에도 세계 각지에서 우수한 박사학위 취득자를 다수 유치했으며, 그들 중 상당수는 스스로 시니어 학자와 연구자가 되었다.교사로서의 그의 명성은 타의 추종을 불허했다1967년 그가 새로 생긴 광학 강좌를 맡기 위해 레딩 대학으로 옮겼을 때 임페리얼의 이전 MSC 제자 중 많은 수가 그의 강의를 듣기 위해 레딩으로 이동하곤 했다.그는 항상 자신의 주된 책임이 자신의 가르침이며 그 연구가 두 번째라고 믿었다.하지만 그는 또한 가르치는 것과 과학적 연구가 서로에게 매우 중요하다고 완전히 확신했다.무언가를 가르치려 할 때 비로소 진정으로 이해하는지 알 수 있다.

그는 그 과목에 수학을 사용했다.광학계의 거동에 대한 수학적 서술의 발전은 물리학에서의 그의 일생 연구의 중심에 있었다. - 그 응용은 세계적으로 유명한 발명품들을 만들어냈다.그는 1984년 공식 은퇴할 때까지 레딩에 남아 있던 수많은 고위직들을 거절하고 Applied Physical Optics 교수직을 맡았습니다.그는 그의 가르침과 연구의 지속이 개인적으로 더 중요하고 훨씬 더 보람있다고 믿었다.하지만 그는 1973년 ^[1]왕립학회 펠로우십을 포함한 세계 최고 과학 단체의 최고 상과 함께 영국 내 모든 왕립 대학의 명예 펠로우십을 수여한 것을 매우 기뻐했습니다.그는 외과 ^[5]과학에 기여한 공로로 1990년 리스터 상을 받았다.영국 왕립외과대학에서 제공된 해당 리스터 오리테이션은 1991년 4월 11일에 제공되었으며, '현대 내시경의 발전 - 현재와 미래 전망'^[5]이라는 제목으로 지정되었다.이 상은, 내시경 관련의 업적으로, 통상, 의학 분야에 종사하는 사람에게 주어지는 상이라는 점에서 이례적이다.그는 1978년 OSA로부터 프레데릭 아이브스 메달을 받았다.해롤드 홉킨스에 대해 잘 알려지지 않은 것은 그가 영국 공산당의 초기 당원이었던, 정치적으로 헌신적인 좌파였다는 것이다.가난하고 혜택받지 못한 환경에서 태어난 그는 자신과 같은 평범한 노동자 계층의 젊은이들이 사회에서 번영한다면 기회균등과 좋은 교육이 얼마나 중요한지를 이해했다.

주요 발명 및 개선점

줌 렌즈

1940년대 후반 BBC가 초점거리 렌즈의 고전적인 "터렛"을 대체할 단일 렌즈를 원하면서, 그는 현재 친숙한 줌 렌즈를 제작했다.재초점 없이 지속적으로 변화하는 배율을 달성할 수 있는 렌즈를 제작하는 시도는 이전에도 있었지만, 어느 것도 줌과 조리개 범위 전체에 걸쳐 좋은 품질의 이미지를 제공할 수 없었다.줌 렌즈의 디자인은 고정된 초점 거리보다 훨씬 더 복잡하고 어렵다.Hopkins가 설계한 줌 렌즈의 성능은 특히 외부 방송의 텔레비전 이미지에 혁명을 일으켰고 현대 시각 미디어에서 줌의 유비쿼터스 사용에 대한 길을 열었습니다.이것은 Marchant Calculator와 같은 대형 데스크톱 전자 기계에서 광선 추적 계산을 수행하는 사전 컴퓨터 제작으로 더욱 주목할 만했습니다.그래도 초기 줌 렌즈는 고정 렌즈에 미치지 못했다.새로운 유형의 유리, 코팅 및 제조 기술과 함께 그의 수차의 파동 이론에 기초한 컴퓨터 설계 프로그램의 적용은 모든 유형의 렌즈의 성능을 변화시켰습니다.줌 렌즈는 고정 초점 거리를 절대 능가할 수 없지만, 대부분의 애플리케이션에서 그 차이는 더 이상 크지 않습니다.

코히런트 광섬유, 파이버 현미경 및 로드 렌즈 내시경

광섬유

고대 로마인들은 유리를 가열하여 매우 작은 직경의 섬유로 끌어내는 방법을 알고 있어서 유연해졌다.또, 한쪽 끝에 떨어진 빛이 다른 한쪽 끝에 전달되는 것을 관찰했습니다(이것이 파이버 내부 표면에서의 복수의 반사에 의한 것임을 알 수 있습니다).어떤 의미에서 이러한 다중 반사는 광빔을 혼합하여 단일 파이버에 의해 이미지가 전송되는 것을 방지합니다(정확하게는 개별 광선이 경험하는 다양한 경로 길이에 따라 상대 위상이 변경되어 빔이 일관되지 않게 되어 이미지를 재구성할 수 없습니다).결과적으로 단일 섬유에서 나오는 빛은 '전면' 끝에 떨어지는 빛의 강도와 색상의 평균이 됩니다.

코히런트 광섬유

만약 섬유 다발이 양쪽 끝에 일치하는 위치에 있도록 배치될 수 있다면, 그 다발의 한쪽 끝에 초점을 맞추는 것은 접안렌즈를 통해 볼 수 있거나 카메라에 의해 포착될 수 있는 다른 끝에 '픽셀 앳' 버전을 생성하게 될 것이다.독일의 의대생인 하인리히 람은 1930년대에 대략 400개의 섬유로 된 조잡하고 일관된 다발을 생산했다.많은 섬유들이 잘못 정렬되어 있었고 적절한 영상 광학이 부족했다.또, 인접한 섬유가 닿아, 화상을 한층 더 열화시키는 누출도 있었습니다.유용한 이미지를 작성하려면 번들에 수백 개가 아니라 수만 개의 파이버가 모두 올바르게 정렬되어 있어야 합니다.1950년대 초에 홉킨스는 이것을 이루기 위한 방법을 고안했다.그는 드럼 한 쌍에 연속된 길이의 파이버를 8자 모양으로 감을 것을 제안했다.그런 다음 충분한 회전이 추가되면, 짧은 부분을 수지로 밀봉하고, 절단한 후 전체를 펴서 필요한 간섭성 번들을 만들 수 있습니다.끝부분을 닦은 후, 그는 대물렌즈와 접안렌즈를 제공하기 위해 그가 디자인한 광학을 추가할 수 있었다.일단 보호용 플렉시블 재킷에 싸여진 '섬유 현미경'이 탄생했다.이 발명에 대한 자세한 내용은 1954년 Hopkins in Nature와 1955년 Optica Acta에 의해 발표되었습니다.하지만, 맨 섬유는 여전히 그들이 만진 곳에서 빛이 새어 나오는 고통을 겪었습니다.동시에 네덜란드인인 에이브러햄 반 힐도 일관성 있는 다발을 생산하기 위해 노력했고, 이 '크로스톡'을 줄이기 위해 각 섬유에 옷을 입히는 아이디어를 연구해왔다.사실 그는 네이처지 같은 호에서 자신의 작품에 대한 자세한 내용을 실었다.결국 낮은 굴절률의 유리층을 가진 피복 섬유에 대한 시스템이 개발되었고(Larry Curtis 등 참조), 파이버 스코프의 최대 잠재력이 실현될 정도로 누출을 줄였다.

섬유 현미경 및 보어 스코프

섬유 현미경은 의학적으로나 산업적으로나 매우 유용한 것으로 입증되었다(보어스코프라는 용어가 일반적으로 사용된다).다른 혁신 기술로는 강력한 외부 소스(일반적으로 제논 아크 램프)의 빛을 목표 단부로 전달하기 위해 추가 섬유를 사용하여 세부 보기 및 고품질 컬러 사진에 필요한 높은 수준의 전체 스펙트럼 조명을 실현하는 것이 포함됩니다.동시에 이는 특히 의료 분야에서 중요한 섬유 내시경 냉각 상태를 유지할 수 있게 했습니다.(이전에는 내시경 끝에 작은 필라멘트 램프를 사용했기 때문에 매우 어두운 붉은 빛으로 보거나 환자의 내부를 태울 위험이 있는 광출력을 증가시킬 수 있었습니다.)광학 기술의 향상과 함께 의료 애플리케이션에서는 내시경 의사의 손에 있는 컨트롤을 통해 팁을 '스티어링'할 수 있는 기능과 내시경 본체에 내장된 원격 조작 수술 기구의 혁신이 소개되었습니다.그것은 오늘날 우리가 알고 있는 열쇠 구멍 수술의 시작이었다.이러한 발전은 물론 산업적으로도 똑같이 유용했다.

로드렌즈 내시경

그러나 섬유 내시경 영상 품질에는 물리적 한계가 있습니다.현대 용어로는 50,000개의 파이버 번들은 효과적으로 50,000픽셀의 이미지만을 제공합니다.또, 사용중의 계속적인 굴곡에 의해, 파이버가 파손되어, 픽셀이 서서히 없어집니다.결국 너무 많은 부분이 손실되므로 번들 전체를 교체해야 합니다(상당한 비용이 듭니다).홉킨스는 추가적인 광학 개선은 다른 접근법을 필요로 한다는 것을 깨달았다.이전의 견고한 내시경은 매우 낮은 투과율과 극도로 낮은 화질로 인해 어려움을 겪었습니다.수술 도구를 통과해야 하는 외과적 요건과 실제로 내시경의 튜브 안에 있는 조명 시스템(인체에 의해 크기가 제한됨)은 영상 광학 장치를 위한 공간을 거의 남겨두지 않았습니다.기존 시스템의 작은 렌즈는 렌즈 영역의 대부분을 가릴 수 있는 지지 링을 필요로 했습니다.제조와 조립도 매우 어려웠기 때문에 광학적으로는 거의 쓸모가 없었습니다.홉킨스가 1960년대에 고안한 우아한 해결책은 '작은 렌즈' 사이의 공간을 채우기 위해 유리 막대를 사용하는 것이었는데, 그 후 이 막대는 완전히 제거될 수 있었다.이러한 로드는 내시경의 튜브에 정확히 맞기 때문에 자체 정렬이 가능하고 다른 지지대가 필요하지 않습니다.그것들은 다루기가 훨씬 쉬웠고 사용 가능한 최대 직경을 이용했다.섬유 현미경과 마찬가지로 유리 섬유 다발이 강력한 외부 광원으로부터의 빛을 전달합니다.Hopkins가 계산하고 지정한 적절한 곡률 및 코팅과 최적의 유리 유형 선택으로 이미지 품질이 변환되었습니다. 즉, 빛 수준이 열 없이 최대 80배 향상되었습니다. 마침내 미세한 디테일의 해상도가 달성되었습니다. 색상은 사실이며, 직경은 몇 밀리미터로 작습니다.가능했습니다.이렇게 작은 직경의 고품질 '망원경'으로 공구와 조명 시스템을 외부 튜브 안에 편안하게 수납할 수 있었습니다.

Hopkins는 1959년에 그의 렌즈 시스템을 특허했다.이 시스템의 가능성을 본 Karl Storz GmbH는 특허를 사들였고 1967년 엄청나게 선명한 이미지와 뛰어난 ^[6]조명의 내시경 기구를 생산하기 시작했다.그렇게 홉킨스와 스토즈 간의 길고 생산적인 파트너십이 시작되었습니다.유연한 내시경(주로 위장관)을 영원히 필요로 하는 신체 부위가 있지만, 경직된 로드렌즈 내시경은 오늘날까지 선택 가능한 기구가 될 정도로 탁월한 성능을 가지고 있으며, 실제로 현대 키홀 수술에서 중요한 요소가 되어 왔습니다.

변조 전송 기능

그의 연구에 앞서 광학계의 분해능은 주로 3바 해상도 차트를 사용하여 평가되었으며 분해능의 한계는 주요 기준이었다.하지만 해롤드는 이미 푸리에 광학의 기초를 닦기 시작한 더피우와 함께 베산송 대학에서 공부했다.그가 1962년 물리학 연구소의 토마스 영 웅변을 발표하면서 발표한 이 정설 ^[7]논문은 영상 형성 광학 시스템에서 영상 품질의 주요 척도로서 변조 전달 함수(CTF)를 확립한 최초의 논문 중 하나였다.간단히 말해, 정현파 물체의 화상의 대비는 정점과 기압골 사이의 강도 차이를 합계로 나눈 값으로 정의됩니다.공간 주파수는 이 영상에서 패턴 주기의 역수이며, 일반적으로 주기/mm 단위로 측정됩니다.공간 주파수의 함수로 표현되는 0 공간 주파수에서의 대비를 통일성과 동일하게 만들기 위해 정규화된 대조는 변조 전달 함수의 정의이다.MTF는 생산 시 측정이 예전보다 덜 확산되었지만 여전히 광학 설계자에 의해 이미지 품질의 주요 기준으로 사용됩니다.현재는 OSLO, Zemax 및 Code V와 같은 소프트웨어를 사용하여 렌즈 데이터에서 계산됩니다.

'레이저 디스크 및 CD' 광학

원래 아날로그 비디오 재생 시스템이었던 Philips 레이저 디스크 포맷은 1970년대 후반에 디지털에 맞게 조정되었으며 CD와 DVD의 선구자였다.디지털 데이터는 반사 디스크에서 일련의 누름으로 인코딩됩니다.레이저가 순차적으로 읽을 수 있도록 나선 경로를 따라 배열됩니다(비닐 레코드의 홈을 따라가는 스타일러스와 유사한 방식으로).레이저는 이 경로에 초점을 맞추고 추적해야 하며 반사된 빔을 수집, 우회 및 측정해야 합니다.이를 실현하기 위한 시제품 광학은 값비싼 유리 렌즈 배치였다.홉킨스는 이 시스템의 완전한 수학적 분석을 통해 신중하게 계산된 기하학으로 대신 투명한 성형 플라스틱 조각을 사용할 수 있다는 것을 보여줄 수 있었다.이는 여전히 레이저 디스크 리더(CD 플레이어 등)의 저비용의 주요 요인입니다.

홉킨스 빌딩, 독서 대학

2009년 6월 12일 홉킨스 빌딩은 루턴 노스의 노동당 의원인 그의 아들 켈빈 홉킨스에 의해 공식적으로 문을 열었다.이는 대학의 생물의학 및 의약품 연구 관심사를 하나로 묶었다.광학의 응용에는 직접 관여하지 않지만, 이 새로운 시설은 최고 수준의 교수와 연구를 추구하여 대학의 가장 저명한 학자들을 기리는 기회를 제공했습니다.

레퍼런스

외부 링크

• 광섬유 연표