CN102520602A - 一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密装置及方法 - Google Patents

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刘健
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一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密装置及方法，属于光学图像处理技术领域。它包括光学图像加密装置和光学图像解密装置。本发明不需要记录物光波和参考光波的强度信息，降低了计算量和存储量，提高了信息的传输效率，从而简化了系统，降低了成本。本发明由于仅仅需要记录两幅全息图，记录次数的减少，简化了实验操作步骤。由于CCD记录方式的数字全息具有实时记录、数字存储和传输等优点，可以把加密信息输送到本发明解密装置电子计算机上以电子方式解密再现，可以让光学加密技术更好的与数字信号处理和通讯系统相兼容，而被广泛应用。另外，本发明在保持了双随机相位编码方法安全性的同时，还增加了系统参数密钥，进一步提高了系统的安全性。

Description

一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密装置及方法
技术领域
本发明属于光学图像处理技术领域，具体涉及一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密装置及方法。
背景技术
20世纪70年代以来，基于模压全息技术出现的水印和激光防伪等技术广泛应用于各种证件、货币、文字和图像以及商标的防伪。但是，自20世纪90年代以后，随着计算机硬件、软件的发展以Internet的产生将人们带入信息社会。各行各业对信息技术广泛应用，起初的激光防伪技术已经不能有效地满足人们防伪的需要，而且极易被复制甚至是仿冒。自然迫切地需要一种安全、高效信息加密技术，加之传统的加密技术主要依靠计算机或数信号处理器(digital signalprocessing，DSP)等电子段来实现，这些方法受到了速度和成本的限制。因此，光学和光电信息加密与防伪技术作为信息安全理论与技术的研究中的一个重要分支，由于其并行性、高速度和低成本而显得倍受人们的青睐。
自从1995年Philippe Refregier和Bahram Javidi提出双随机相位加密技术以来，越来越多的学者提出了许多改进的方法。在系统结构方面，采用了傅里叶变换、菲涅尔变换、分数傅里叶变换、小波变换、联合变换相关器和干涉等；在加密方法方面，有双随机相位加密、相位恢复算法、像素置乱、衍射光学元件等；在记录方式上，有卤化银全息干板、光折变晶体、CCD等。众所周知，基于相位恢复算法的加密系统灵活多样，然而加密过程需要用计算机完成大量的迭代运算，从而失去了光学加密系统处理速度的优势；至于现有的相移干涉光学加密技术一般采用四步或三步相移干涉。近些年提出的广义两步相移干涉方法，虽然相移的步长可以是0到π范围内的任意值，但需要记录物光波和参考光波的强度，记录次数便没有减少。每幅原始图像都需要加密到三幅以上的干涉图中，从而加大了系统存储量和传输的负担。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密装置及方法。该方法成功地在仅仅记录两幅全息图，并且不需要记录物光波和参考光波的强度信息的前提下实现了光学图像的加密和解密。
所述的一种两步正交相移干涉的光学图像加密装置，包括光学图像加密装置和光学图像解密装置，所述的光学图像加密装置包括氩离子激光器，通过该氩离子激光器激光输出方向为第一半波片，通过第一半波片后的激光进入第一分束棱镜，所述的第一分束棱镜将激光分成物光和参考光，沿物光方向依次设有第一扩束准直装置、第一反射镜、空间光调制器、第一相位掩膜板、第二相位掩膜板；沿参考光方向依次设有第二扩束准直装置、第二半波片、第二反射镜、四分之一波片；所述的第二相位掩膜板的物光和四分之一波片的参考光通过第二分束棱镜在光探测器记录平面相干涉，在所述光探测器记录平面上记录上述光场分布干涉的结果，本发明所述的光探测器是CCD，所述的CCD表示的是电荷耦合元件；
所述的光学图像解密装置为一台电脑，通过电脑解密上面所述加密的结果得到解密后的光场分布，所述的解密后的光场分布将呈现在电脑的显示屏上；
所述的一种两步正交相移干涉的光学图像加密装置，所述的第一扩束准直装置和第二扩束准直装置包括显微物镜和透镜。
所述的一种两步正交相移干涉的光学图像加密装置，所述的氩离子激光器与第一分半波片之间可配合设置第三反射镜。
所述的一种两步正交相移干涉的光学图像加密装置，所述的光探测器记录平面为CCD记录平面。
所述的一种两步正交相移干涉的光学图像加密装置，所述的空间光调制器为电寻址控制空间光调制器或光寻址控制空间光调制器。
所述的一种两步正交相移干涉的光学图像加密装置，所述的第一相位掩膜板紧贴着空间光调制器放置。
所述的一种两步正交相移干涉的光学图像加密装置，所述的四分之一波片用于参考光引入π/2相位。
所述的一种两步正交相移干涉的光学图像加密装置，所述的CCD记录平面的干涉结果，可以由光探测器记录后进行网络传输。
本发明还涉及一种两步正交相移干涉的光学图像加密装置的光学加密方法，具体实施过程如下：
1)加密过程中，氩离子激光器发出的光，通过该氩离子激光器激光输出方向为第一半波，通过第一半波片后的激光进入第一分束棱镜，经过第一分束棱镜将激光分成物光和参考光，其中物光经过第一扩束准直装置进行扩束和准直，准直后的光依次经过第一反射镜、空间光调制器、第一相位掩膜板、再经过第一次菲涅尔变换后到达第二相位掩膜板，然后经过第二次菲涅尔变换后通过第二分束棱镜与参考光同时聚集在光探测器记录平面；另一束参考光经过第二扩束准直装置进行扩束和准直后，准直后的光依次经过第二半波片、第二反射镜、四分之一波片、第二分束棱镜，然后到达光探测器记录平面与物光干涉，在保持加密过程中的各装置位置不变地前提下，通过控制四分之一波片的有无来分别记录两次干涉图，所述的四分之一波片用于参考光引入π/2相位；
2)解密过程中，把上述两次干涉全息图通过CCD传入电脑，构建一副复合全息图，在参考强度达到一定值的前提下给出一系列强度值通过复合全息图再现光波ER，同时通过IH1直接再现的光波为ET，然后把ER与ET相关峰的最大值相对应的参考光波确定为最终实际再现的参考光，然后对复合全息图在上面所述参考光的共轭光下进行解密，然后我们取解密得到的复振幅的复共轭，对复共轭做相应的菲涅尔变换，然后乘以第二相位掩膜板相位分布，再进行一次相应的菲涅尔变换，再乘以第一相位掩膜板相位分布，得到光场复振幅的复共轭，有平方关系的振幅图像，其可显示在电脑屏幕上。本发明所述的构建的一副复合全息图，该全息图用HPHS，其表示方法为HPHS＝(IH1-I0)+j(IH2-I0)＝2R*O，其中IH1为第一幅干涉图，IH2为第二幅干涉图，I0为零级光波或直流项。所述的ET计算方法为ET＝IH1-I0＝R*O+RO*，其中，M×N为全息图的像素，Δx、Δy分别表示CCD在水平和垂直方向相邻像素的间距。
本发明的一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密装置及方法，与现有技术相比，存在如下有益效果：
1)操作方便，由于记录次数的减少，简化了实验操作步骤；
2)简化了系统，降低了成本，本发明不需要记录物光波和参考光波的强度信息，降低了计算量和存储量，提高了信息的传输效率；
3)适用范围广，由于CCD记录方式的数字全息具有实时记录、数字存储和传输等优点，解密再现可以是电子或光电方式，可以让光学加密技术更好的与数字信号处理和通讯系统相兼容，而被广泛应用；
4)安全性能高，本实发明在保持了双随机相位编码方法安全性的同时，还增加了系统参数密钥，进一步提高了系统的安全性。
附图说明
图1为本发明的光学图像加密装置的结构示意图。
图中：1-氩离子激光器，2-第三反射镜，3-第一半波片，4-第一分束棱镜，5a-显微物镜，5b-透镜，5-第二扩束准直装置，6-第二半波片，7-第二反射镜，8-四分之一波片，9-第二分束棱镜，10-第二相位掩膜板，11-第一相位掩膜板，12-空间光调制器，13-第一反射镜，14a-显微物镜，14b-透镜，14-第一扩束准直装置，15-光探测器记录平面，16-电脑。
具体实施方式
以下结合说明书附图及对发明作进一步的描述：
如图1所示的一种两步正交相移干涉的光学图像加密装置，包括光学图像加密装置和光学图像解密装置，所述的光学图像加密装置包括氩离子激光器1，通过该氩离子激光器1激光输出方向为第一半波3，通过第一半波片3后的激光进入第一分束棱镜4，所述的第一分束棱镜4将激光分成物光和参考光，沿物光方向依次设有第一扩束准直装置14、第一反射镜13、空间光调制器12、第一相位掩膜板11、第二相位掩膜板10；沿参考光方向依次设有第二扩束准直装置5、第二半波片6、第二反射镜7、四分之一波片8；所述的第二相位掩膜板10的物光和四分之一波片8的参考光通过第二分束棱镜9，在光探测器记录平面15相干涉，通过所述光探测器记录上述光场分布干涉的结果，本发明所述的光探测器是CCD，所述的CCD表示的是电荷耦合元件；所述的第一扩束准直装置14和第二扩束准直装置5包括显微物镜14a，5a和透镜14b，5b；所述的光探测器记录平面15中的光探测器为CCD；所述的空间光调制器12为电寻址控制空间光调制器或光寻址控制空间光调制器。
所述的光学图像解密装置为一台电脑16，通过电脑16解密上面所述加密的结果得到解密后的光场分布，所述解密后的光场分布将呈现在电脑的显示屏上；
所述的氩离子激光器1与第一半波片3之间可配合设置第三反射镜2，这里的反射镜可以不加，作用是为了使光路折叠，节省空间，如果实验室空间足够大也可以不加这个反射镜。
如图1所示，加密过程中，氩离子激光器1发出的光，发出的激光的波长为515nm，通过该氩离子激光器1激光输出方向为第一半波3，通过第一半波片3后的激光进入第一分束棱镜4，经过第一分束棱镜4将激光分成物光和参考光，其中物光经过第一扩束准直装置14进行扩束和准直，准直后的光依次经过第一反射镜13、空间光调制器12、第一相位掩膜板11、再经过第一次菲涅尔变换后到达第二相位掩膜板10，然后经过第二次菲涅尔变换后通过第二分束棱镜9与参考光同时聚集在光探测器记录平面15；所述的空间光调制器12是用来显示待加密纯相位图像的，第一随机相位板11和第二相位掩膜板10是使用DWL66激光直写系统制作的，也可以使用位相型的空间光调制器来实现，它的作用是改变输入图片的光场分布，使之均匀化和散乱化；另一束参考光经过第二扩束准直装置5进行扩束和准直后，准直后的光依次经过第二半波片6、第二反射镜7、四分之一波片8、第二分束棱镜9，然后到达光探测器记录平面15与物光干涉，在保持加密过程中的各装置位置不变地前提下，通过控制四分之一波片8的有无来分别记录两次干涉图，所述的四分之一波片用于参考光引入π/2相位；解密过程中，把上述两次干涉全息图通过CCD传入电脑，构建一副复合全息图，在参考强度达到一定值的前提下给出一系列强度值通过复合全息图再现光波ER，同时通过IH1直接再现的光波为ET，然后把ER与ET相关峰的最大值相对应的参考光波确定为最终实际再现的参考光，然后对复合全息图在上面所述参考光的共轭光下进行解密，然后我们取解密得到的复振幅的复共轭，对复共轭做相应的菲涅尔变换，然后乘以第二相位掩膜板10的相位分布，再进行一次相应的菲涅尔变换，然后再乘以第一掩膜板11的位分布，得到光场复振幅的复共轭，有平方关系的振幅图像，其可显示在电脑16屏幕上。本发明所述的构建的一副复合全息图，该全息图用HPHS，其表示方法为HPHS＝(IH1-I0)+j(IH2-I0)＝2R*O，其中IH1为第一幅干涉图，IH2为第二幅干涉图，I0为零级光波或直流项。所述的ET计算方法为ET＝IH1-I0＝R*O+RO*，其中，
Figure BSA00000619240300071
M×N为全息图的像素，Δx、Δy分别表示CCD在水平和垂直方向相邻像素的间距。
本发明试验中采用的CCD光探测器为陕西维视公司生产的型号为MV-1300FC，像素数为1280*1024，像素间隔为5.2微米，使用的空间光调制器12为先共创光电生产的透射式振幅型空间光调制器，像素数为1024*768，型号为GC-SLM-T-XGA，像素间隔为22微米。使用的透镜为大恒新纪元公司生产的焦距为30cm和40cm等。
本发明技术优点是：操作方便，由于记录次数的减少，简化了实验操作步骤；另外，不需要记录物光波和参考光波的强度信息，降低了计算量和存储量，提高了信息的传输效率，从而简化了系统，降低了成本；由于CCD记录方式的数字全息具有实时记录、数字存储和传输等优点，解密再现可以是电子或光电方式，可以让光学加密技术更好的与数字信号处理和通讯系统相兼容，而被广泛应用；本发明在保持了双随机相位编码方法安全性的同时，还增加了系统参数密钥，进一步提高了系统的安全性。该技术采用的激光直写系统刻蚀出来的相位掩膜板具有衍射效率高，相位调制量可控的优点，做出来的实验结果比现有的技术更好。

Claims (9)

1.一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密装置，包括光学图像加密装置和光学图像解密装置，其特征在于：所述的光学图像加密装置包括氩离子激光器(1)，通过该氩离子激光器(1)激光输出方向为第一半波片(3)，通过第一半波片(3)后的激光进入第一分束棱镜(4)，所述的第一分束棱镜(4)将激光分成物光和参考光，沿物光方向依次设有第一扩束准直装置(4)、第一反射镜(13)、空间光调制器(12)、第一相位掩膜板(11)、第二相位掩膜板(10)；沿参考光方向依次设有第二扩束准直装置(5)、第二半波片(6)、第二反射镜(7)、四分之一波片(8)；所述的第二相位掩膜板(10)的物光和四分之一波片(8)的参考光通过第二分束棱镜(9)在光探测器记录平面(15)相干涉，在所述光探测器记录平面(15)上记录上述光场分布干涉的结果，所述的光学图像解密装置为一台电脑(16)，通过电脑(16)解密上面所述加密的结果得到解密后的光场分布，所述的解密后的光场分布将呈现在电脑(16)的显示屏上。
2.根据权利要求1所述的一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密装置，其特征在于：所述的第一扩束准直装置(14)和第二扩束准直装置(5)包括显微物镜(14a，5a)和透镜(14b，5b)。
3.根据权利要求1所述的一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密装置，其特征在于：所述的氩离子激光器(1)与第一分半波片(3)之间配合设置第三反射镜(2)。
4.根据权利要求1所述的一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密装置，其特征在于：所述的光探测器记录平面(15)为CCD记录平面，所述的CCD表示的是电荷耦合元件。
5.根据权利要求1所述的一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密装置，其特征在于：所述的空间光调制器(12)为电寻址控制空间光调制器或光寻址控制空间光调制器。
6.根据权利要求1所述的一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密装置，其特征在于：所述的第一相位掩膜板(11)紧贴着空间光调制器(12)放置。
7.根据权利要求1所述的一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密装置，其特征在于：所述的四分之一波片(8)用于参考光引入π/2相位。
8.根据权利要求1所述的一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密装置，其特征在于：所述的光探测器记录平面(15)的干涉结果，由光探测器记录后进行网络传输。
9.一种采用如权利要求1所述的两步正交相移干涉的光学图像加密装置的光学加密方法，其特征在于：具体实施过程如下：
1)加密过程中，氩离子激光器1发出的光，通过该氩离子激光器(1)激光输出方向为第一半波(3)，通过第一半波片(3)后的激光进入第一分束棱镜(4)，经过第一分束棱镜(4)将激光分成物光和参考光，其中物光经过第一扩束准直装置(14)进行扩束和准直，准直后的光依次经过第一反射镜(13)、空间光调制器(12)、第一相位掩膜板(11)、再经过第一次菲涅尔变换后到达第二相位掩膜板(10)，然后经过第二次菲涅尔变换后通过第二分束棱镜(9)与参考光同时聚集在光探测器记录平面(15)；另一束参考光经过第二扩束准直装置(5)进行扩束和准直后，准直后的光依次经过第二半波片(6)、第二反射镜(7)、四分之一波片(8)、第二分束棱镜(9)，然后到达光探测器记录平面(15)与物光干涉，在保持加密过程中的各装置位置不变地前提下，通过控制四分之一波片(8)的有无来分别记录两次干涉图，所述的四分之一波片用于参考光引入π/2相位；
2)解密过程中，把上述两次干涉全息图通过CCD传入电脑(16)，构建一副复合全息图，在参考强度达到一定值的前提下给出一系列强度值通过复合全息图再现光波ER；同时通过IH1直接再现的光波为ET，然后把ER与ET相关峰的最大值相对应的参考光波确定为最终实际再现的参考光；然后对复合全息图在上面所述参考光的共轭光下进行解密，然后我们取解密得到的复振幅的复共轭，对复共轭做相应的菲涅尔变换，然后乘以第二相位掩膜板(10)的相位分布，再进行一次相应的菲涅尔变换，然后再乘以第一掩膜板(11)的相位分布，得到光场复振幅的复共轭，有平方关系的原始振幅图像，其可显示在电脑(16)屏幕上。
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