CN107257285B - 一种基于单光子激励和光学puf的认证系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于单光子激励和光学PUF的认证系统，该方法和系统使用激光脉冲衰减的方法制备单光子源，利用高速DMD数字微镜对入射光波前进行高速编码，将编码后的光照射到随机介质构成的光学PUF钥匙上产生散斑响应，利用sCMOS相机、EMCCD相机或EBCCD相机采集散斑图样，利用散斑信息进行PUF钥匙的注册和认证。本发明利用了单光子的量子不可克隆性和随机介质PUF钥匙的不可复制性，从物理上保证了认证过程的安全性，利用了窄带带通滤光片对环境光进行滤波，降低了环境光的影响，在安全领域具有极好的应用前景。

Description

一种基于单光子激励和光学PUF的认证系统
技术领域
本发明涉及身份认证系统，具体涉及一种基于单光子激励和光学PUF（物理不可克隆函数）的认证系统，属于安全认证技术领域。
背景技术
基于物理不可克隆函数（PUF）的认证系统具有非常好的安全性，在下一代安全认证技术中有广阔的应用前景，最早的基于PUF的认证系统是利用光学无序介质实现的，它利用经典激光照射无序介质形成的散斑进行认证，散斑能够反映无序介质内部的结构信息，不同的无序介质能够形成完全不同的散斑图样，所以能够用散斑作为无序介质的标识进行认证；这种由随机介质构成的光学PUF钥匙具有不可复制性，它保证了其作为PUF认证钥匙的安全性。
随后，S. A. Goorden等提出了基于光学PUF的量子认证系统，采用了高度衰减后的相干光作为光源，每个光脉冲含有的光子数很少。该系统的安全性可以用量子安全系数S=K/n来描述，其中K为激励光的模式数，n为激励光脉冲的平均光子数，也就是说激励的光子数越少，系统的安全性越高。随后，龙衡等对S. A. Goorden等提出的量子认证系统进行了改进，他们利用自反馈程序控制空间光调制器对光学PUF钥匙产生的散斑进行解调来实现注册和认证过程，该方法相比S. A. Goorden等的方法更容易工程实现，并且成本较低。然而，这两种系统的注册和认证过程速度较慢，需要较长的时间，并且环境光的影响较大，这严重地限制了它们的实用化。因此，设计具有高速注册和认证过程并且能够降低环境光影响的量子认证系统很有必要。
发明内容
为了克服现有量子认证系统速率较慢并且受环境光影响较大的缺点，本发明提供一种基于单光子激励和光学PUF的认证系统，该系统不仅具有其它量子认证系统具有的安全性，并且能够极大地提高注册和认证过程的速率，以及降低环境光对认证系统的影响。
本发明的技术方案如下：
一种基于单光子激励和光学PUF的认证系统，其特征在于：包括成像定位子系统及认证子系统两个部分。
所述成像定位子系统至少包括：用于对PUF钥匙照明的发光二极管，用于对PUF钥匙成像的4F成像系统，用于采集PUF钥匙图像的相机，用于对PUF钥匙进行精确定位的电控三维平移台，电控三维平移台通过定位程序根据采集的图像控制移动。
所述认证子系统至少包括：用于发出光脉冲的脉冲激光光源，用于对所述光脉冲进行衰减的衰减片组，用于对单光子光束波前进行高速编码的数字微镜，用于采集散斑图样的相机。
所述成像定位子系统中的用于采集PUF钥匙图像的相机和认证子系统中的用于采集散斑图样的相机均采用同一相机，所述相机可以是SCMOS相机，或EMCCD相机，或EBCCD相机。
所述成像定位子系统还依次包括：准直透镜、分光棱镜I、分光棱镜II，其中，发光二极管位于准直透镜入光侧的焦点上，分光棱镜I位于准直透镜的出光透射方向上，分光棱镜II位于分光棱镜I的出光直射方向上；所述4F成像系统包括透镜I和透镜II，透镜I位于分光棱镜II的出光直射方向上，透镜II位于分光棱镜II的出光折射方向上，相机放置于透镜II的出光侧的焦点处，PUF钥匙位于透镜I的出光侧的焦点处，PUF钥匙由电控三维平移台控制移动。所述分光棱镜I、分光棱镜II均为1：1的分光棱镜。
所述相机入口处还设置有电动滤光片转轮，电动滤光片转轮的两个孔上分别安装有衰减片和窄带带通滤光片；使用成像定位子系统时，电动滤光片转轮旋转至窄带带通滤光片通光的位置；使用认证子系统时，电动滤光片转轮旋转至衰减片通光的位置。
所述认证子系统还包括位于衰减片组出光方向上的反射镜和位于反射镜反射光方向上的扩束镜；所述扩束镜与准直透镜分别位于分光棱镜I的两个入射光方向上，扩束镜、分光棱镜I和数字微镜在一条直光路方向上。
所述认证系统还设置有用于对PUF钥匙的定位过程光路和认证过程光路进行切换的光快门I和光快门II； 所述光快门I设置于扩束镜与分光棱镜I之间，所述光快门II设置于透镜II与电动滤光片转轮之间。
所述认证系统在工作过程中，包括注册和认证两个工作阶段，注册和认证之前都需要使用成像定位子系统对PUF钥匙进行精确定位；注册时，将相机采集的散斑信息和激励编码信息储存；认证时，将采集的散斑与储存的编码激励-散斑相应对进行比对，以确定是否为同一个PUF钥匙。
该系统的具体工作过程为：
首先，将脉冲激光光源发出的光脉冲通过衰减片组进行衰减，得到单光子光束，通过反射镜反射后经过扩束镜进行扩束；
然后，对经过分光棱镜I的光束使用数字微镜进行高速编码，将编码后的光照射到光学PUF钥匙上产生散斑，通过相机采集散斑的图样；其中，不同的编码将得到不同的散斑响应，编码和散斑响应是一一对应的，组成编码激励-响应对，将这些激励-响应对储存起来，就实现了对PUF钥匙的注册；
对PUF钥匙进行认证时，在数字微镜上加载一个在注册时使用过的编码，编码后的光照射到PUF钥匙上产生散斑，采集散斑图样，再将采集到的散斑图样与储存的编码激励-响应对进行对比，如果此时编码激励-散斑响应能够和储存的编码激励-响应对一致，则认证通过，否则认证不通过。
本发明具有如下优点：
1.采用数字微镜对单光子束波前进行高速编码，提高了对波前的编码速度；
2.采用相机直接采集散斑图像，减少了相应的测量复杂性，缩短了测量时间；
3.采用定位系统对PUF钥匙自动定位，保证了每次认证都是同一个PUF钥匙；
4.采用窄带带通滤光片，降低了环境光对认证系统的影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，附图标记为：1为衰减片组，2为反射镜，3为扩束镜，4为光快门I，5为分光棱镜I，6为分光棱镜II，7为透镜I，8为PUF钥匙，9为电控三维平移台，10为具有透镜II，11为准直透镜，12为发光二极管，13为数字微镜，14为光快门II，15为电动滤光片转轮，16为相机，17为脉冲激光光源，18为电脑或控制器。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种基于单光子激励和光学PUF的认证系统，包括成像定位子系统及认证子系统两个部分。
所述成像定位子系统包括：扩束镜3，准直透镜11，分光棱镜I、II（即图1中的5、6），用于对PUF钥匙8照明发光二极管12，用于对PUF钥匙8成像的4F成像系统，用于采集PUF钥匙8图像的相机，用于对PUF钥匙8进行精确定位的电控三维平移台9，电控三维平移台9通过定位程序根据采集的图像控制移动。所述4F成像系统由透镜I和透镜II构成，即图1中的7、10；其中，发光二极管12位于准直透镜11的焦点上，相机放置于透镜II的焦点处，分光棱镜II位于透镜I和透镜II之间，PUF钥匙8放于电控三维平移台9上。
所述认证子系统包括：用于发出的光脉冲的脉冲激光光源17，用于对所述光脉冲进行衰减的衰减片组1，用于反射光束的反射镜2，用于对单光子光束波前进行高速编码的数字微镜13，用于采集散斑图样的相机，分光棱镜I（即图1中的5），与成像定位子系统共用的4F成像系统，与成像定位子系统共用的分光棱镜II（即图1中的6），其中分光棱镜I 5位于分光棱镜II 6之前。
所述成像定位子系统中的相机和认证子系统中的相机为同一相机16，所述相机16可以是sCMOS相机，或EMCCD相机，或EBCCD相机。
所述相机16的入口处还设置有衰减片和窄带带通滤光片，滤色片和衰减片分别安装于电动滤光片转轮15上不同位置的小孔里，通过控制旋转，使成像定位子系统中使用衰减片，认证系统中使用窄带带通滤光片。
所述认证系统还设置有用于对PUF钥匙8的定位过程光路和认证过程光路进行切换的光快门I、II（即图1中的4、14），所述光快门I 4设置于认证子系统的脉冲激光光源17与分光棱镜I 5之间，所述光快门II 14设置于透镜II 10与电动滤光片转轮15之间。
该认证系统包括了注册和认证两个实施过程，在两个过程实施开始都需要先对PUF钥匙8进行定位，其定位的详细过程为：关闭光快门I，将电动滤光片转轮15旋转至衰减片位置，打开光快门II，打开发光二极管12，打开相机16；发光二极管12发出的光经准直透镜11变为平行光，然后依次穿透分光棱镜5、6，再通过透镜7照射到PUF钥匙样品8上，PUF钥匙样品8放置于透镜I 7的焦点附近，PUF钥匙样品8表面的背散射光经透镜7、10形成的4F系统后在相机16的芯片上成像，通过反馈程序控制电控三维平移台9的前后位置，使相机16上成清晰的像，然后沿着垂直于光的平面移动直到像中的标记位置出现在指定位置，然后关闭发光二极管12和光快门14，这样就完成了PUF钥匙8的定位过程。透镜7、10均为具有相同焦距的凸透镜。
对PUF钥匙8定位后就可以进行注册和认证过程了，注册过程为：将电动滤光片转轮15旋转至窄带带通滤光片位置，打开光快门4和光快门14；脉冲激光光源17采用激光器，激光器发出的脉冲光经衰减片组1变为单光子光束，通过反射镜2反射后，经扩束镜3对光扩束，光通过分光棱镜5后照射到DMD数字微镜13上，数字微镜13对光波前进行编码后再反射回去，再次通过分光棱镜I 5的反射后穿过分光棱镜II 6和透镜I 7后照射到PUF钥匙8上，PUF钥匙8的背散射光经4F透镜系统在相机16相面上形成的散斑图样，相机对散斑进行采集；改变DMD数字微镜13的编码可以得到不同的散斑，DMD数字微镜13的编码和对应的散斑可以组成编码-散斑对，储存编码-散斑对，这样就完成了注册过程。
认证时也是先进行PUF钥匙的定位，定位过程和前面的描述一致，定位后进行认证过程，认证过程为：将电动滤光片转轮15旋转至窄带带通滤光片位置，打开光快门4和光快门14；激光器发出的脉冲光经衰减片组1变为单光子光束，通过反射镜2反射后，经扩束镜3对光扩束，光通过分光棱镜5后照射到DMD数字微镜13上，数字微镜13将在储存的编码-散斑对中选择一组编码方式对光波前进行编码后再反射回去，再次通过分光棱镜5的反射后穿过分光棱镜6和透镜7后照射到PUF钥匙8上，PUF钥匙8的背散射光经4F透镜系统在相机16芯片上形成的散斑图样，相机对散斑进行采集，将采集到的散斑图样与选择的编码-散斑对进行比对，判断认证对象是否与注册的PUF钥匙8为同一个PUF钥匙。
电动滤光片转轮15上安装的窄带带通滤光片为激光波长所对应的窄带带通滤光片。

Claims (5)

1.一种基于单光子激励和光学PUF的认证系统，其特征在于：包括成像定位子系统及认证子系统两个部分；
所述成像定位子系统至少包括：用于对PUF钥匙（8）照明的发光二极管（12），用于对PUF钥匙（8）成像的4F成像系统，用于采集PUF钥匙图像的相机，用于对PUF钥匙（8）进行精确定位的电控三维平移台（9）；所述成像定位子系统还依次包括：准直透镜（11）、分光棱镜I（5）、分光棱镜II（6），其中，发光二极管（12）位于准直透镜（11）入光侧的焦点上，分光棱镜I（5）位于准直透镜（11）的出光透射方向上，分光棱镜II（6）位于分光棱镜I（5）的出光直射方向上；
所述认证子系统至少包括：用于发出光脉冲的脉冲激光光源（17），用于对所述光脉冲进行衰减的衰减片组（1），用于对单光子光束波前进行高速编码的数字微镜（13），用于采集散斑图样的相机；所述认证子系统还包括位于衰减片组（1）出光方向上的反射镜（2）和位于反射镜（2）反射光方向上的扩束镜（3）；所述扩束镜（3）与准直透镜（11）分别位于分光棱镜I（5）的两个入射光方向上，扩束镜（3）、分光棱镜I（5）和数字微镜（13）在一条直光路方向上；
所述成像定位子系统中的用于采集PUF钥匙图像的相机和认证子系统中的用于采集散斑图样的相机均采用同一个相机（16）；
该认证系统的工作过程如下：
首先，将脉冲激光光源（17）发出的光脉冲通过衰减片组（1）进行衰减，得到单光子光束，通过反射镜（2）反射后经过扩束镜（3）进行扩束；
然后，对经过分光棱镜I（5）的光束使用数字微镜（13）进行高速编码，将编码后的光照射到光学PUF钥匙（8）上产生散斑，通过相机（16）采集散斑的图样；其中，不同的编码将得到不同的散斑响应，编码和散斑响应是一一对应的，组成编码激励-响应对，将这些激励-响应对储存起来，就实现了对PUF钥匙（8）的注册；
对PUF钥匙（8）进行认证时，在数字微镜（13）上加载一个在注册时使用过的编码，编码后的光照射到PUF钥匙（8）上产生散斑，采集散斑图样，再将采集到的散斑图样与储存的编码激励-响应对进行对比，如果此时编码激励-散斑响应能够和储存的编码激励-响应对一致，则认证通过，否则认证不通过。
2.根据权利要求1所述的基于单光子激励和光学PUF的认证系统，其特征在于：所述4F成像系统包括透镜I（7）和透镜II（10），透镜I（7）位于分光棱镜II（6）的出光直射方向上，透镜II（10）位于分光棱镜II（6）的出光折射方向上，相机（16）放置于透镜II（10）的出光侧的焦点处， PUF钥匙（8）位于透镜I（7）的出光侧的焦点处，PUF钥匙（8）由电控三维平移台（9）控制移动。
3.根据权利要求1所述的基于单光子激励和光学PUF的认证系统，其特征在于：所述相机（16）的入光口处设置有电动滤光片转轮（15），电动滤光片转轮（15）上不同位置的两个孔上分别安装有衰减片和窄带带通滤光片；电动滤光片转轮（15）旋转带动窄带带通滤光片或衰减片位于相机（16）的入光口处，从而使成像定位子系统中使用衰减片，认证子系统中使用窄带带通滤光片。
4.根据权利要求1所述的基于单光子激励和光学PUF的认证系统，其特征在于：所述电控三维平移台（9），通过定位程序根据采集的图像控制移动。
5.根据权利要求1所述的基于单光子激励和光学PUF的认证系统，其特征在于：还设置有用于对PUF钥匙（8）的定位过程光路和认证过程光路进行切换的光快门I（4）和光快门II（14）； 所述光快门I（4）设置于扩束镜（3）与分光棱镜I（5）之间，所述光快门II（14）设置于透镜II（10）与电动滤光片转轮（15）之间。
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