Harold Horace Hopkins FRS [1] (6 de diciembre de 1918 - 22 de octubre de 1994) [2] fue un físico británico . Su Teoría Ondulatoria de las Aberraciones (publicada por Oxford University Press en 1950) es fundamental para todo diseño óptico moderno y proporciona el análisis matemático que permite el uso de computadoras para crear lentes de la más alta calidad. Además de su trabajo teórico, sus numerosos inventos se utilizan a diario en todo el mundo. [3] Estos incluyen lentes de zoom, fibra óptica coherente y, más recientemente, los endoscopios con lentes de varilla que "abrieron la puerta" a la cirugía moderna de ojo de cerradura. Recibió muchos de los premios más prestigiosos del mundo y fue nominado dos veces al Premio Nobel. Su mención al recibir la Medalla Rumford de la Royal Society en 1984 decía: "En reconocimiento a sus muchas contribuciones a la teoría y el diseño de instrumentos ópticos, especialmente de una amplia variedad de nuevos instrumentos médicos importantes que han hecho una contribución importante al diagnóstico clínico. y cirugía." [4]
Hopkins nació en una familia pobre en los barrios marginales de Leicester en 1918 y su extraordinaria mente fue reconocida desde el principio. Debido a su propio genio y a la buena suerte de contar con el apoyo de su familia y sus profesores, obtuvo una de las dos únicas becas, en todo Leicestershire, que le permitieron asistir a The Gateway Grammar School. Allí destacó, especialmente en las artes, el inglés, la historia y otros idiomas. Sin embargo, el director, reconociendo su don excepcional para las matemáticas, lo dirigió hacia la ciencia.
Así que estudió física y matemáticas en el University College de Leicester , se graduó en 1939 con un primer doctorado y luego [ cita necesaria ] comenzó un doctorado en física nuclear . Sin embargo, esto se canceló al estallar la guerra y se fue a trabajar para Taylor, Taylor & Hobson, donde conoció el diseño óptico.
Inexplicablemente, a Hopkins no se le otorgó el estatus de ocupación reservada, lo que llevó a que lo llamaran a filas y lo entrenaran brevemente para volar puentes. (Era un hombre natural, ascendió rápidamente al rango de "cabo interino no remunerado" y ganó un premio por su velocidad al desmantelar y volver a armar su rifle). El error de esta ubicación pronto se hizo evidente y se puso a trabajar en el diseño de lentes ópticos. sistemas durante el resto de la guerra, al mismo tiempo que trabajaba en una tesis para su doctorado, que obtuvo en 1945.
Comenzó una beca de investigación en el Imperial College de Londres en 1947, dando clases de 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 mudó a la Universidad de Reading en 1967 para ocupar la cátedra de óptica recién creada, muchos de sus antiguos estudiantes de maestría en Imperial viajaban a Reading para asistir a sus conferencias. Siempre creyó que su principal responsabilidad era la docencia y que la investigación ocupaba un segundo lugar. Sin embargo, también estaba totalmente convencido de que la enseñanza y la investigación científica eran de vital importancia la una para la otra. "Sólo cuando intentas enseñar algo descubres si realmente lo entiendes".
Usó matemáticas en la materia. 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 muchos inventos mundialmente famosos. Eligió permanecer en Reading en el puesto de Profesor de Óptica Física Aplicada hasta su jubilación en 1984, rechazando los numerosos puestos importantes que le ofrecieron. Creía que la continuación de su labor docente e investigadora era más importante y mucho más gratificante personalmente. Sin embargo, se deleitó mucho en haberle conferido las becas honorarias de todos los Royal Colleges médicos de Gran Bretaña, junto con los más altos premios de muchos de los principales organismos científicos del mundo, incluida (en 1973) [1] la Fellowship of the Royal Society. sí mismo. Recibió la Medalla Lister de 1990 por sus contribuciones a la ciencia quirúrgica. [5] El discurso de Lister adjunto, pronunciado en el Real Colegio de Cirujanos de Inglaterra , se pronunció 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 en el campo de la medicina. La OSA le concedió la medalla Frederic Ives de 1978 . Lo que es 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. Al provenir de un entorno pobre y desfavorecido, comprendió cuán esenciales eran la igualdad de oportunidades y una buena educación para que los jóvenes comunes y corrientes de clase trabajadora como él quisieran prosperar en la sociedad.
A raíz de una petición a finales de la década de 1940 de la BBC , que quería una sola lente para reemplazar la clásica "torreta" de lentes de diferentes distancias focales, produjo la conocida lente de zoom . Aunque hubo intentos anteriores de producir una lente que pudiera alcanzar de manera continua Al variar el aumento sin volver a enfocar, ninguno de ellos podía proporcionar una imagen de buena calidad en todos sus rangos de zoom y apertura. El diseño de una lente de zoom es enormemente más complicado y difícil que el de una distancia focal fija. La lente revolucionó las imágenes de televisión, especialmente las transmisiones al aire libre, y abrió el camino al uso omnipresente del zoom en los medios visuales modernos. Fue aún más notable por haber sido producida antes de la computadora, ya que los cálculos de trazado de rayos se realizaban en un gran escritorio electromecánico. Máquinas como la Calculadora Marchant Aun así, las primeras lentes con zoom aún no llegaban a las lentes fijas. La aplicación de programas de diseño por computadora basados en su Teoría Ondulatoria de las Aberraciones junto con nuevos tipos de vidrio, recubrimientos y técnicas de fabricación se ha transformado. el rendimiento de todo tipo de lentes. Aunque los objetivos con zoom nunca pueden superar a las distancias focales fijas, las diferencias ya no son significativas en la mayoría de las aplicaciones.
Los antiguos romanos sabían cómo calentar y estirar el vidrio hasta obtener fibras de un diámetro tan pequeño que se volvían flexibles. También observaron que la luz que incide en un extremo se transmite al otro. (debido a reflexiones sucesivas de la superficie interna de la fibra). Estas múltiples reflexiones mezclan los haces de luz, evitando así que una imagen sea transmitida por una sola fibra (más exactamente, las diferentes longitudes de trayectoria experimentadas por los rayos de luz individuales alteran sus fases relativas hacen 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 un promedio de la intensidad y el color de la luz que incide sobre el extremo incidente.
Si se pudiera disponer un haz de fibras de manera que sus extremos estuvieran en posiciones coincidentes en cada extremo, entonces enfocar una imagen en un extremo del haz produciría una versión " pixelada " en el otro extremo que podría verse a través de un ocular. o capturado por una cámara. Heinrich Lamm , un estudiante de medicina alemán, produjo en la década de 1930 un tosco haz coherente de unas 400 fibras. Muchas de las fibras estaban desalineadas y carecían de una óptica de imagen adecuada. También sufrió fugas donde se tocaban las fibras adyacentes; lo que degradó aún más la imagen. Para producir una imagen útil, el haz necesitaría contener no unos pocos cientos sino decenas de miles de fibras, todas correctamente alineadas. A principios de la década de 1950, Hopkins ideó una manera de lograrlo. Propuso enrollar un único trozo continuo de fibra en forma de ocho alrededor de un par de tambores. Luego, cuando se habían añadido suficientes vueltas, se podía sellar una sección corta con resina, cortarla y enderezar el conjunto para producir el haz 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 fueron publicados en artículos de Hopkins en Nature en 1954 y Optica Acta en 1955. Sin embargo, las fibras desnudas todavía sufrían fugas de luz donde se tocaban. Al mismo tiempo, un holandés, Abraham van Heel, también estaba tratando de producir haces coherentes y había estado investigando la idea de revestir cada fibra para reducir esta "interferencia". Publicó detalles de su trabajo en el mismo número de Nature . Finalmente, Larry Curtis et al. desarrollaron un sistema para revestir fibras con una capa de vidrio de menor índice de refracción, que redujo las fugas hasta tal punto que se aprovechó todo el potencial del fibroscopio.
Los fibroscopios han demostrado ser extremadamente útiles tanto a nivel médico como industrial (donde se utiliza comúnmente el término boroscopio ). Otras innovaciones incluyeron el uso de fibras adicionales para canalizar la luz hacia el extremo objetivo desde una potente fuente externa (normalmente una lámpara de arco de xenón ), logrando así el alto nivel de iluminación de espectro completo necesario para una visualización detallada y fotografías en color de buena calidad. Al mismo tiempo, esto permitía que el fibroscopio permaneciera frío, lo que era especialmente importante en aplicaciones médicas. (El uso anterior de una pequeña lámpara de incandescencia en la punta del endoscopio dejaba 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, llegó la capacidad de "dirigir" la punta mediante controles en las manos del endoscopista e innovaciones en instrumentos quirúrgicos operados a distancia contenidos dentro del cuerpo del endoscopio. Fue el comienzo de la cirugía de ojo de cerradura tal como la conocemos. Estos avances fueron igualmente útiles en la industria.
Existen límites físicos para la calidad de imagen de un fibroscopio. En terminología moderna, un haz de, digamos, 50.000 fibras proporciona efectivamente solo una imagen de 50.000 píxeles; además, la flexión continua durante el uso rompe las fibras y pierde píxeles progresivamente. Al final se pierden tantos que es necesario reemplazar todo el paquete (con un coste considerable). Hopkins se dio cuenta de que cualquier mejora óptica adicional requeriría un enfoque diferente. Los endoscopios rígidos anteriores presentaban una transmisión de luz muy baja y una calidad de imagen extremadamente pobre. La necesidad quirúrgica de pasar los instrumentos quirúrgicos y el sistema de iluminación dentro del tubo del endoscopio, que a su vez está limitado por las dimensiones del cuerpo humano, dejaba 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. Eran increíblemente difíciles de fabricar y montar, y ópticamente mínimamente útiles. La elegante solución que ideó Hopkins en la década de 1960 fue utilizar varillas de vidrio para llenar los espacios de aire entre las "pequeñas lentes", de las que luego se podría prescindir por completo. Estas varillas encajaban exactamente en el tubo del endoscopio, lo que las hacía autoalineantes y no requerían ningún otro soporte. Eran mucho más fáciles de manejar y utilizaban el máximo diámetro posible. 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 adecuados en los extremos de las varillas y las opciones óptimas de tipos de vidrio, todo calculado y especificado por Hopkins, la calidad de la imagen se transformó: los niveles de luz aumentaron hasta ochenta veces sin calor; Finalmente se logró la resolución de los detalles más finos; los colores se hicieron realidad; y eran posibles diámetros tan pequeños como unos pocos milímetros. Con un "telescopio" de alta calidad y de un 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 magnífica. [6] Así comenzó una larga y productiva asociación entre Hopkins y Storz. Si bien hay regiones del cuerpo que siempre requerirán endoscopios flexibles (principalmente el tracto gastrointestinal), los endoscopios con lentes de varilla rígidas tienen un rendimiento tan excepcional que siguen siendo el instrumento de elección y se han convertido en el factor habilitador de la cirugía de ojo de cerradura moderna.
Antes del trabajo de Hopkins, 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 , quien ya había comenzado a sentar las bases de la óptica de Fourier. El artículo fundamental, [7] que presentó en 1962 cuando pronunció el discurso Thomas Young 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 principal medida 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 todavía utilizan el MTF como criterio principal de calidad de imagen, aunque su medición en producción está menos extendida que antes. Se calcula a partir de los datos de la lente utilizando software como OSLO , Zemax y Code V.
Originalmente un sistema de reproducción de vídeo analógico, el formato de disco láser de Philips se adaptó al formato digital a finales de los años 1970 y fue el precursor del CD y el 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 que un láser puede leer secuencialmente (similar a un lápiz que sigue el surco de un disco de vinilo ). El láser debe enfocarse y seguir esta trayectoria y el haz reflejado debe recogerse, desviarse y medirse. El prototipo de óptica para lograr esto era una costosa disposición de lentes de vidrio. Hopkins pudo demostrar mediante un análisis matemático exhaustivo del sistema que, con una geometría cuidadosamente calculada, era posible utilizar en su lugar una sola pieza de plástico moldeado transparente. Este sigue siendo un factor importante en el bajo coste de los lectores de discos láser (como los reproductores de CD).
El 12 de junio de 2009, su hijo Kelvin Hopkins , diputado laborista de Luton North, inauguró oficialmente el edificio Hopkins . Esto reunió bajo un mismo techo los intereses de investigación biomédica y farmacéutica de la Universidad. Si bien no está directamente involucrada 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.