Light人物 | 专访“全息骑士”Wolfgang Osten教授

| 编者按 |

门捷列夫说过，“科学是从测量开始的”；“没有测量，就没有科学”。在长达四十多年的职业生涯中，Wolfgang Osten教授一直致力于光学计量和检测技术研究。80年代，Osten教授与他的研究团队开发了第一个对干涉图进行定性和定量评估的自动化系统，并提出了用于高精度非球面和自由曲面测量的倾斜波干涉仪的原理，这两项技术最终都实现了商业化。他的成果为光学检测研究“照亮了道路”。

Osten教授和Light学术出版中心之间的渊源可追溯到2012年，当时他向Light: Science & Applications（Light）投稿并发表了第一篇论文[1]。随后鉴于其对出版和期刊的热情，其受邀加入Light编委会。2019 年，他作为共主编接受了一项新的挑战——创办新刊Light: Advanced Manufacturing（LAM）。

在这次采访中，Osten教授将与我们分享他对光学检测、全息技术和LAM创刊的见解。接下来，请跟随我们的访谈一同走近这位“全息骑士”。

Wolfgang Osten教授1979年在耶拿大学获得物理学硕士与学士学位。1979-1991年，他在柏林科学院的研究所工作，从事相干计量学、数字图像处理和机器视觉方面的研究。1983年，他获得了马丁-路德大学哈雷-维滕贝格分校的博士学位，其论文研究涉及全息干涉测量领域。1991-2002年，他加入不来梅应用光束技术研究所（BIAS），成立并领导光学三维计量学系。2002年9月-2018年10月，他担任斯图加特大学的全职教授和应用光学研究所主任。2006-2010年，他担任斯图加特大学副校长，负责研究和技术转让。他的研究工作主要是通过结合现代光学计量学、传感技术和数字图像处理，研究工业检测和计量的新概念，侧重开发用于增强微纳米结构分辨率的技术。Wolfgang Osten教授是OSA、SPIE、EOS 和SEM的会士以及IEEE的高级会员。他是深圳大学的荣誉教授，德国伊尔梅瑙科技大学的荣誉博士，他还获得2011年国际光学工程学会SPIE的Dennis Gabor奖，2018年SPIE的Rudolf Kingslake奖，2019年SPIE的Chandra Vikram奖，和2019年OPTICA的Emmeth Leith奖等多个重要奖项。

采访嘉宾：Wolfgang Osten（斯图加特大学）

采访人：丁帅

原文信息：Ding, S. “Metrology is a key component of the industrial value-added chain”: an interview with Prof. Wolfgang Osten. Light Sci Appl 11, 278 (2022).

https://www.nature.com/articles/s41377-022-00965-8

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Q：据我所知，您从20世纪70年代末就开始从事工业检测和计量工作，这也成为您学术生涯主要的工作。您能否分享一下让您对这个领域的研究产生兴趣的原因？

A：是的，我在耶拿弗里德里希-席勒大学学习物理学时，我们主要学习解决实际问题。在这种情况下，所有的学生都必须完成工业实习，在那时我学到了与工业伙伴合作的优势，我可以帮助他们提高产品的质量。离开大学后，在柏林的前东德科学院工作的我继续保持这种与工业界直接合作的方式。除了致力于雄心勃勃的学术研究，科学院各研究所的一个重要任务是为工业界提供科学支持。在这方面，科学院是东德工业的大型研究机构。我的毕业论文和我后来的研究都集中在光学计量和检测方面。干涉测量和图像处理是了解和改进产品功能和工艺的有力工具。工业生产中的各个领域对质量控制都有高度需求。这种需求，需要解决的问题的多样性，以及与相关物理问题的密切联系，一直激发着我对测量技术的迷恋。

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Q：门捷列夫说过，“科学是从测量开始的”；“没有测量，就没有科学”。您能和我们分享一下您关于测量准确的重要性的见解吗？

A：关于测量学的精彩说法很多，我再多给出一个例子，伽利略说：“有必要测量一切可以测量的东西，并尝试使尚未测量的东西可以测量”。确实，测量的准确性是任何测量的一个重要特征。它让我们了解我们的测量，并告诉我们关于被测对象的真相。然而，判断准确性并不简单。通常情况下，我们尝试得到测量结果的不确定度或精确度。对于该特征的计算有很成熟的流程，一般由国家标准研究所控制，比如中国计量科学研究院（NIM），美国的NIST和德国的PTB，还有一个国际公认的准则来表达测量的不确定性——GUM准则[2]。

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Q：光学检测技术在上个世纪一直在不断革新，您认为目前检测设备的最新挑战有哪些？展望未来十年甚至下个世纪，光学检测的主要挑战和机遇又有哪些？

A：确实，检测技术有着悠久的历史。我前面提到伽利略的例子。然而，产品越来越复杂，负责其功能的关键结构持续小型化，特别是在纳米和半导体技术中产生了新的挑战，需要加以掌握，以保证未来产品的质量。最大的挑战之一就是提高光学测量的分辨率。不幸的是，光学原理在这里有明显的物理限制，需要很多措施来克服这些棘手的限制。特别是实施有效的进程，以在扩展的功能表面上提供高分辨率和高精度的测量是一项挑战，这给了我们未来几年足够的工作。另一个有趣的话题是有机材料检测过程中发生的散射、吸收、半透明现象。这种测量对象常见于医疗领域，例如，应用在手术中识别组织特性，可以可靠地区分恶性和良性组织。

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Q：2006年到2010年，您在斯图加特大学担任负责研究和技术转让的副校长。相信您与工业界有着密切的联系。从您的角度来看，同一技术的基础研究和工业应用之间最大的区别是什么？如何有效地建立从科学研究到工业应用的桥梁？

A：最大的区别在于，工业界不仅要求发表论文。工业界正在寻找实用且可经检验的结果，这些结果可用于直接改进制造工艺，从而制造更多产品。当然，对工艺、整个产品的功能和其决定性部件的深刻的物理和技术理解是所有实际应用和检验的基础。然而，对于工业界的合作伙伴来说，当它被证明是有效的时候，真理的证明就完成了。我喜欢W.E. Deming说的那句话，“我们无理由相信上帝，但所有其他人必须用数据证实自己！”前面所提到的建立基础研究与工业应用的桥梁是很难建造的。但在德国，我们在德国联邦教育和研究部组织的合作研究方面取得了非常好的经验。这种项目是通过学术研究人员和来自工业界的专家之间的紧密合作发生的。这在德国已经是一个长期有效的措施，并且早已预测到了几年前美国人“发明”的“开放式创新”。

图1：2017 年Wolfgang Osten教授与白雨虹教授、司徒国海教授等到深圳大学彭翔教授课题组访问

图2：2018年国家自然科学基金委员会和德国研究协会支持的深圳大学和斯图加特大学联合计算成像研究中心开幕

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Q：根据欧盟工业5.0的说法，工业5.0的新概念提供了一个工业愿景，其目的是超越效率和生产力作为唯一目标，加强工业对社会的作用和贡献。它将如何改变或影响我们的生活？

A：工业4.0是一项支持现代工业生产中广泛实施数字技术的措施。因此该计划的重点是针对提高欧洲工业的竞争力和效率。新的倡议，即工业5.0，有着完全不同的方法。工业5.0提供了一个工业的愿景，它超越了效率和生产力的唯一目标，注重加强工业对社会的作用和贡献。它将工人的福祉置于生产过程的中心，利用新技术提供就业和增长之外的繁荣，同时尊重地球的生产极限。这是一个严格的范式变化。不是产品处于所有活动的中心，而是生产者和顾客分别处于中心。我认为，这种变化是边界条件改变的结果，整个人类面临着新的挑战。气候变化、环境污染、资源匮乏、社会老龄化、基础设施老化、世界范围内的福利和财富分配不均等等，我真的希望这不仅仅只是空话，而是真正的有助于范式变化、在我们对生活的真正品质的理解上起到一种改变游戏规则的作用，如完整的环境、良好和稳定的社会结构、每个人的安全和健康生存，以及我们星球的资源的公平分配。

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Q：您赢得了许多国际奖项，如Dennis Gabor奖、Rudolf Kingslake奖、Chandra Vikram奖和Emmeth Leith奖。这些奖项对您意味着什么？

A：对我来说，它们的意义不在于多少，而在于我尊敬的同事们对我取得的成果持相当积极的看法。

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Q：在您的职业生涯中，您培养了许多博士生，指导他们的工作，并在他们在研究之初失去信心和怀疑自己的时候为他们指明方向。您对学生和年轻研究人员有什么建议吗？

A：这是个非常复杂的问题，没办法提供普适的秘诀。但是在所有的学生交流过程中，对我来说最重要的是努力找到一个简单问题的答案：“你的研究目标是什么，在你做了这么多努力之后，你希望最终实现什么？”这对我来说意味着有力动机的重要性。当这一点明确后，实现这一目标的方法往往就很明确了。

图3：2008年南京理工大学访问，Wolfgang Osten教授与南京理工大学的车文荃教授和马骏博士合影。

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Q：您是在中国长春举行的2019年Light会议的联合主席。您对每年的 Light 会议等活动有什么期待？在2022年Light会议周系列学术活动（庆祝Light十周年），我们应该给观众带来什么？

A：2022年已经快结束了，或许我们可以考虑一下2023年？对我来说，国际会议更深层次的意义在于加强来自不同国家的科学家之间的沟通和理解，更多的是来自不同文化背景的科学家。我们称之为多样性，它使我们的社会联系更加丰富。公开交流新的发现和想法是保护我们共同的星球，为所有人创造和平环境的最佳方式。从这个意义上说，我在Light会议上的经历是非常美好的。组织者创造的气氛非常开放、友好和激励。与年轻的中国科学家的接触非常愉快，他们的研究水平不断提高。然而，2019年的会议过去4年后的下一次会议或许将在一个已经发生巨大变化的世界中举行，新冠疫情和日益加剧的国际紧张局势将使组织一次具有上届Light会议精神的聚会变得更加困难。因此，我们的共同目标是找到回归常态的机会，建立一座桥梁，让所有与会者感到他们受到欢迎，并被邀请使我们的研究成为共同的财富，为所有国家的健康、和平和繁荣做出贡献。Light刊群可以在这个过程中发挥重要作用，作为一个外交官的身份，远离经济利益，致力于科学家之间的开放与和平交流。

图4：Wolfgang Osten教授作为联合主席在2019年Light会议上致欢迎辞

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Q：2019年，您接受了白雨虹教授的邀请，担任Light姊妹刊LAM的创刊主编，从零开始建立这个新期刊。是什么机缘让您愿意接受这个挑战？您对这本新期刊有什么愿景和期望？

A：首先是我与长春光机所的工作人员在Light: Science & Applications杂志上合作的非常愉快的经验，使我相信加入LAM项目会取得成功，我想在这里特别感谢白雨虹教授和郭宸孜博士的非常高效友好的合作。此外，LAM的理念与我的上述观点相吻合：通过与工业界的卓有成效的合作，使科学为人们的利益服务。我们就LAM的独特地位与已有的类似重点期刊相比进行了长时间的讨论。我们发现LAM可以填补空缺，弥合在将技术推向市场方面经常存在的鸿沟。目前我们缺少一个在制造技术方面范围更广，但又明确专注于光子技术的期刊。所有这些过程都是在一个非常棒的氛围中完成的，与LAM团队的合作从一开始就令人满意和高效。我希望我们能一起创造一个高质量的新技术期刊，在大量现有期刊中占据显著的位置。对于衡量一个期刊的成功，有明确的指标，例如影响因子。但对我来说，优秀的同行选择在LAM杂志发表他们的最新研究成果已是第一个积极的迹象。

图5：Wolfgang Osten教授与出版商和组织者讨论创办LAM的问题

图6：郭宸孜博士、白雨虹教授、Wolfgang Osten教授和顾敏院士在2017年慕尼黑激光及光电展览会合照

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Q：到目前为止，您在创办LAM时遇到的最大挑战是什么？您认为一份好的期刊应该具备哪些特点？您建设LAM的战略是什么？您认为办刊最重要的事情是什么？

A：最大的挑战是创造一个好的概念，并建立一个编委会，其成员不仅以其名字出现，而且为期刊的成功而积极工作，这样才能很快一起成就这本期刊。一个好的期刊会激励作者将它作为他们最喜欢的期刊来记录他们科学研究的成功，好的期刊不需要做太多的广告，但它的质量，特别是编辑部的支持和尽可能快的出版速度可以给人留下深刻印象。好的期刊总是让作者相信，他们的文章不仅是为了期刊的利益，主要是为了他们自己的利益。我的策略是：在所有相关期刊的舞台上为LAM争取一个永久和公认的位置。最重要的是：让作者始终觉得这个杂志是为他们服务的，同时也要有足够的精力来进行长期运作，尤其在当下这种每天都有新的期刊诞生，现有期刊之间竞争激烈的情形下。

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Q：全息技术与激光原理的结合，为光学成像、信息处理、计量学等领域的大量新技术和新应用打开了一扇新的大门。2021年，您在Light: Advanced Manufacturing杂志上发起了 "庆祝全息技术应用60周年”的专刊。此外，您还为该文集撰写了一篇综述，总结了全息无损检测（HNDT）和实验应力分析的55年[3]。这项技术的特殊意义是什么？您认为它在未来将如何发展？

A：全息技术对HNDT的特殊意义能在特刊的序言和提到的文章中找到清楚的解释。全息技术为研究各种具有功能性表面的物体打开了大门。这种机会在经典干涉测量法中是非常有限的，因为经典干涉测量法的优势在于研究具有光滑表面的物体的形状，如透镜和反射镜。HNDT扩大了干涉测量技术的应用范围，超越了这一有限的应用。它能够用于研究真实的工业产品对任何人工或操作负载的反应。例如监测火车通过时大桥的振动，监测汽车发动机的振动行为，以及发动机工作时整个车体的发声。只有这样，我们才能看到我们听到的东西。关于未来，另一句话告诉我们，“未来是开放和混乱的”。然而，我对全息技术在创造新产品和解决具挑战性的实际问题持乐观态度。全息技术和相关技术，如散斑技术，在各个领域逐渐被接受。简单举几个例子，超越传统立体原理的真实三维屏幕的实现，作为保护者的宝贵工具对文化遗产和艺术品进行最小限度的侵入性研究，对大型设施的材料弱点、腐蚀和内部故障的检查。然而，正如Charles Vest在40年前为美国国家标准局所做的鼓舞人心的研究中提到的那样[4]，该技术在被接受为可靠的测量和检查工具之前仍然面临着一系列的挑战。特别是在流水线工作的性能，意味着不是在特殊的实验室条件下而是在制造过程中工作的能力。工业界进一步的需求是提高对环境干扰的稳定性，改善用户友好性和提高分辨率，以及研究体散射和半透明材料的性能。最近有一篇不错的文章，其中列出了许多未来的潜在方向[5]。所有这些愿望的实现都会为未来的研究提供足够的支撑。

图4：庆祝全息技术应用60周年的特刊封面

| References |

1. Ferreras Paz, V., Peterhänsel, S., Frenner, K. & Osten, W. Solving the inverse grating problem by white light interference Fourier scatterometry. Light Sci Appl 1, e36 (2012).

2. ISO/IEC GUIDE 98-3:2008 Uncertainty of measurement — Part 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM:1995) 

https://www.iso.org/standard/50461.html

3. Wolfgang Osten, Giancarlo Pedrini. 55 Years of Holographic Non-Destructive Testing and Experimental Stress Analysis: Is there still Progress to be expected?[J]. Light: Advanced Manufacturing 3, 8(2022).

4. Vest, C. M. Holographic NDE – Status and Future. (Study for Office of Nondestructive Evaluation of the National Bureau of Standards, 1981).

5. Javidi, B. et al. Roadmap on digital holography [Invited]. Optics Express 29, 35078-35118, doi: 10.1364/OE.435915 (2021).

https://doi.org/10.1364/OE.435915

| Light科学编辑 | 

丁帅，工学博士，就职于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（长春光机所）Light学术出版中心，现任长春光机所Light学术出版中心总编助理、卓越计划高起点新刊 Light: Advanced Manufacturing主编助理、卓越计划领军期刊 Light: Science & Applications科学编辑。作为项目联系人，组织LAM卓越行动计划-高起点项目和广东省高水平英文期刊项目申报并成功获批;组织LAM DOAJ数据库申报工作并成功收录。曾在科研一线工作近五年，作为项目分系统负责人参与多项科研项目，发表SCI、EI等多篇学术文章；期间，全程深度参与XX项目的国家科技进步一等奖申报工作并参加人民大会堂举办的颁奖典礼。曾荣获中国科协优秀论文编辑表彰、中科院长春分院“优秀共产党员”、中科院长春光机所“优秀共产党员”、中科院长春光机所第三届先进个人、中科院长春光机所b类人才计划、中科院长春光机所优秀成果奖等奖项。

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