CN109407199B - 一种全息元件的构造方法、加解密方法、全息元件及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全息元件的构造方法、加解密方法、全息元件及装置，涉及微纳光学技术领域。全息元件的构造方法包括：将至少二幅特征图像叠加得到的混合频率信息图像作为目标影像，每幅特征图像包含对不同的原始图像进行高通滤波处理后得到的高频信息或者进行低通滤波处理后得到的低频信息；根据目标影像和选定的偏振光的工作波长，优化设计几何相位超表面全息元件，在全息再现影像的指定观测距离上观测到特征图像。本发明利用包含高频信息和/或低频信息的目标影像，使得仅仅通过改变观测距离便能获得包含不同频率信息的特征图案，给光学信息的加密提供一种新的自由度。

Description

一种全息元件的构造方法、加解密方法、全息元件及装置

技术领域

本发明涉及微纳光学技术领域，具体是涉及一种全息元件的构造方法、加解密方法、全息元件及装置。

背景技术

近年来，超表面材料(metasurfaces)以其独特的光学性质被相继应用于全息、透镜、光束整形等领域。由于光波的偏振、振幅和相位等特性能够给光学信息加密技术提供多个自由度，基于超表面材料的光学信息加密被认为具有很强的发展潜力，但是仅仅利用光波的偏振或者波长特性限制了加密信息的容量。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种全息元件的构造方法、加解密方法、全息元件及装置，利用包含高频信息和低频信息的目标影像，使得仅仅通过改变观测距离便能获得包含不同频率信息的特征图案，给光学信息的加密提供一种新的自由度。

本发明提供一种全息元件的构造方法，其包括：

将至少二幅特征图像叠加得到的混合频率信息图像作为目标影像，每幅特征图像包含对不同的原始图像进行高通滤波处理后得到的高频信息或者进行低通滤波处理后得到的低频信息；

根据目标影像和选定的偏振光的工作波长，优化设计几何相位超表面全息元件，在全息再现影像的指定观测距离上观测到所述特征图像。

在上述技术方案的基础上，所述高通滤波和低通滤波均为高斯滤波。

在上述技术方案的基础上，所述滤波处理的截止空间频率为： f₀＝f_1/2；或者，f₀＝f_1/2+Δ，其中，f₀为截止空间频率，f_1/2为所述原始图像的频谱分析结果中1/2增益值对应的空间频率，Δ为预定的空间频率调整范围。

在上述技术方案的基础上，所述指定观测距离根据所述全息再现影像的大小、所述截止空间频率和视觉对比敏感度函数确定。

在上述技术方案的基础上，所述偏振光为左旋圆偏振光、右旋圆偏振光或者线性偏振光。

在上述技术方案的基础上，所述全息元件包括基底层以及基底层上的纳米单元阵列；

所述全息元件的优化设计方法包括：

采用电磁仿真法优化所述全息元件的结构参数；

采用G-S优化算法确定所述全息元件的相位分布，使得具有所述工作波长的偏振光垂直入射全息元件时，出射光形成所述全息再现影像；

根据相位分布确定所述纳米单元阵列的排列方式。

在上述技术方案的基础上，所述原始图像包括字符、图案和几何图形中的至少一种。

本发明还提供一种全息元件，其包括：

基底层；

纳米单元阵列，其包括由多个排列在基底层上的纳米单元形成的纳米单元阵列，纳米单元阵列是根据目标影像以及选定的偏振光的工作波长优化设计得到的，当具有工作波长的偏振光垂直入射纳米单元阵列时，在全息再现影像的指定观测距离上观测到目标影像中的特征图像；

其中，所述目标影像为至少二幅特征图像叠加得到的混合频率信息图像，每幅特征图像包含对不同的原始图像进行高通滤波处理后得到的高频信息或者进行低通滤波处理后得到的低频信息。

在上述技术方案的基础上，所述纳米单元为柱形结构，柱形结构的横截面为矩形或者椭圆。

在上述技术方案的基础上，所述纳米单元为纳米砖单元，纳米砖单元的材料为晶体硅，所述基底层包括晶体硅基底以及晶体硅基底上的二氧化硅衬底。

本发明还提供一种基于上述的全息元件的加密方法，其包括：

选定偏振光的类型，以具有工作波长的偏振光垂直入射所述全息元件，在全息再现影像的不同观测距离上记录观测到的特征图像，以建立偏振光的类型、观测距离和特征图像之间的映射关系；

使用特征图像对机密信息进行编码后得到编码表；

根据特征图像，在映射关系中查找对应的偏振光的类型和观测距离并生成密钥。

本发明还提供一种解密方法，其包括：

接收编码表和密钥，所述密钥包括偏振光的类型和观测距离，所述编码表包括特征图像和对应的机密信息；

将密钥中指定的偏振光垂直入射所述全息元件，在指定的观测距离上记录观测到的特征图像；

根据特征图像从编码表中查找机密信息。

本发明还提供一种加密装置，其包括：

上述的全息元件；

映射模块，其用于选定偏振光的类型，以具有工作波长的偏振光垂直入射所述全息元件，在全息再现影像的不同观测距离上记录观测到的特征图像，建立偏振光的类型、观测距离和特征图像之间的映射关系；

编码模块，其用于使用特征图像对机密信息进行编码后得到编码表；还用于根据表示机密信息的特征图像的映射关系，查找对应的偏振光的类型和观测距离并生成密钥。

本发明还提供一种解密装置，其包括：

上述的全息元件；

接收模块，其用于接收编码表和密钥，所述密钥包括偏振光的类型和观测距离，所述编码表包括特征图像和对应的机密信息；

提取模块，其用于将密钥中指定的偏振光垂直入射所述全息元件，在指定的观测距离上记录观测到的特征图像；

解码模块，其用于根据特征图像从编码表中查找机密信息。

相对于现有技术，本发明实施例通过全息元件的构造方法，将至少二幅特征图像叠加得到的混合频率信息图像作为目标影像，每幅特征图像包含不同的原始图像的高频信息或者低频信息；根据目标影像和选定的偏振光的工作波长，优化设计几何相位超表面全息元件，在全息再现影像的指定观测距离上观测到特征图像。利用包含高频信息和低频信息的目标影像，使得仅仅通过改变观测距离便能获得包含不同频率信息的特征图案，不仅给光学信息的加密提供了一种新的自由度，而且观测距离还可以与波长和偏振等光学特性相结合，进一步扩大加密信息的容量。

附图说明

图1是本发明第一实施例全息元件的构造方法流程图；

图2是本发明第一实施例中混合频率信息图像的构建过程示意图；

图3是本发明第一实施例中原始图像的频谱分析结果的示意图；

图4是本发明第一实施例中其他混合频率信息图像的示意图；

图5是本发明第一实施例全息元件的部分区域的俯视图；

图6是本发明第一实施例中纳米砖单元的示意图；

图7是本发明第一实施例纳米砖单元的偏振光转化效率随波长的变化图；

图8是本发明第一实施例在观测距离(0.5米处)观测6cm*6cm 大小的目标影像时，人眼接收到的高频信息和低频信息的信息值；

图9是本发明第一实施例在观测距离(2米处)观测6cm*6cm 大小的目标影像时，人眼接收到的高频信息和低频信息的信息值；

图10是本发明第三实施例加密方法和第四实施例解密方法的示意图。

图中：

1-基底层，11-晶体硅基底，12-二氧化硅衬底，2-纳米单元，21- 纳米砖单元。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明第一实施例提供一种全息元件的构造方法，构造方法包括：

S110将至少二幅特征图像叠加得到的混合频率信息图像作为目标影像，每幅特征图像包含对不同的原始图像进行高通滤波处理后得到的高频信息或者进行低通滤波处理后得到的低频信息。

S120根据目标影像和选定的偏振光的工作波长，优化设计几何相位超表面全息元件，在全息再现影像的指定观测距离上观测到特征图像。

在步骤S110中，每幅特征图像是对原始图像进行高通或者低通滤波处理得到的，滤波处理后，每幅特征图像包含一幅原始图像的高频信息或者低频信息，且不同的特征图像是从不同的原始图像得到的。在由特征图像叠加得到的混合频率信息图像中，从不同的原始图像得到的高频信息和低频信息叠加。

具体的，可以对一幅原始图像进行高通滤波处理后得到一幅特征图像，对另一幅原始图像进行低通滤波处理后得到另一幅特征图像，将二幅特征图像叠加后得到混合频率信息图像。还可以对二幅即以上不同的原始图像进行相同的高通滤波处理，对另二幅及以上不同的原始图像进行低通滤波处理，将得到的所有特征图像叠加后得到混合频率信息图像。

以下以二幅特征图像叠加得到混合频率信息图像为例进行说明，二幅不同的原始图像分别为第一原始图像和第二原始图像，如图2所示，第一原始图像包括一个空心六边形，第二原始图像包括一个圆环。使用高斯高通滤波器对第一原始图像进行高通滤波处理后得到第一特征图像，使用高斯低通滤波器对第二原始图像进行低通滤波处理后得到第二特征图像。高通滤波后得到的第一特征图像保留了六边形的边缘、细节等高频信息，低通滤波后得到的第二特征图像中圆环变得模糊，只能大体上看到轮廓。

第一特征图像和第二特征图像叠加后得到同时包含高频信息和低频信息的混合频率信息图像。在近距离观察混合频率信息图像时，人眼接收到混合频率信息图像中的细节和边缘等高频信息，而在远距离观察混合频率信息图像时，却仅仅能接收到混合频率信息图像中的轮廓信息。当人眼在近处和远处对混合频率信息图像进行观察时能分别看到圆形和六边形。

特征图像是对原始图像进行高通或者低通滤波处理得到的，具体的，高通滤波和低通滤波均为高斯滤波。

在一种实施方式中，滤波处理的截止空间频率为：f₀＝f_1/2，其中， f₀为截止空间频率，f_1/2为原始图像的频谱分析结果中1/2增益值对应的空间频率。在另一种实施方式中，f₀＝f_1/2+Δ，Δ为预定的空间频率调整范围，Δ根据原始图像的频谱分析结果进行调整。

图3所示为图2中圆环和六边形的原始图像的频谱分析结果，以 1/2增益值来选取滤波器的参数，对于六边形，高斯高通滤波器的1/2 增益值对应的空间频率f_1/2为14c/i(cycles per image，图像的周期数)。对圆环来说，高斯低通滤波器的1/2增益值对应的空间频率f_1/2为12 c/i。

由于高斯滤波器是一种平滑滤波器，为了使得高频信息和低频信息尽量不交叉，需要对初始设定的截止空间频率进行微调，Δ为预定的空间频率调整范围，例如Δ＝±5c/i，对于想要保留高频信息的原始图像，如图2中的六边形，截止空间频率f₀＝14+5＝19c/i。对于想要保留低频信息的原始图像，如图2中的圆环，截止空间频率f₀＝12-5＝7 c/i，使得经过滤波处理后的两个特征图像的空间频率差异较大。

原始图像包括字符和几何图形中的至少一种，滤波处理后，特征图像包含原始图像的高频信息或者低频信息，两幅特征图像叠加后得到目标影像。例如，两幅原始图像均包括数字，得到的包含高频信息的特征图像为从左上到右下方向的“5 7 6 9 1 8 2 4 3”，包含低频信息的特征图像为从左上到右下方向的“1 2 3 4 5 6 7 8 9”，两幅特征图像叠加后得到的目标影像如图4的 A所示。同样的，图4的 B的目标影像是从均包括英文字母的两幅原始图像得到的，图4的 C的目标影像是从均包括中文字符的两幅原始图像得到的，图4的 D的目标影像是从均包括英文字母组合的两幅原始图像得到的。除了字符，原始图像中还可以包括几何图形或者图案，或者图案、字符和几何图形之间的组合，几何图形包括前述的圆环和六边形，即原始图像中信息的表示方式不作限定。

构建了混合频率信息图像后，将该混合频率信息图像作为目标影像设计全息元件。全息元件包括基底层1和纳米单元阵列，构成几何位相超表面，如图5所示，其中，纳米单元阵列包括多个排列在基底层1上的纳米单元2。纳米单元阵列由若干尺寸一致的纳米砖单元21 均匀排列构成，相邻纳米砖单元21的间距相等。

如图6所示，基底层1可划分为多个单元结构，每个单元结构的工作面为正方形，每个单元结构的工作面上均具有一个纳米单元2，纳米单元2可以是长方体形状的纳米砖单元，该纳米砖单元21的长 L、宽W、高H以及周期C统称为结构参数，其中，纳米砖的长、宽和高均为亚波长，C为单元结构工作面的边长。建立基于单元结构的工作面的坐标系，其中，X轴方向和Y轴方向分别与工作面的两直角边平行，Z轴方向垂直于工作面并向上。φ为纳米砖单元21的转角，定义为纳米砖单元的长轴(纳米砖长边方向)与X轴方向的夹角。

纳米砖单元21的材料为晶体硅，基底层1包括晶体硅基底11以及晶体硅基底11上的二氧化硅衬底12。二氧化硅衬底的厚度可以选为2000nm。纳米单元阵列可以划分为多个周期，每一个周期包含若干个均匀分布的、尺寸相同的、朝向不同的硅纳米砖单元21。

全息元件的详细说明参见后续实施例。在本实施例中，以纳米砖单元21为例对全息元件的优化设计方法进行说明。

在步骤S120中，全息元件的设计方法包括：

S121确定偏振光的工作波长。

在本实施例中，以工作波长为633nm为例进行说明。

具体的，偏振光为左旋圆偏振光、右旋圆偏振光或者线性偏振光。

S122采用电磁仿真法，在工作波长下得到全息原件的结构参数。

本步骤可采用电磁仿真软件平台，如CST Studio、Comsol等仿真软件完成。仿真时，在工作波长下，使左旋圆偏振光或右旋圆偏振光垂直入射纳米砖单元21，以反射的右旋圆偏振光或左旋圆偏振光的转化效率为优化对象，扫描结构参数，全息原件的结构参数即纳米砖单元21的长L、宽W、高H以及周期C，以期获得优化的结构参数。优化目标为反射的交叉偏振转化效率最高、同时反射的同向偏振转化效率最低。这里，交叉偏振指出射光旋向与入射光旋向相反，同向偏振指出射光旋向与入射光旋向相同。图7是纳米砖单元21的偏振光转化效率随波长的变化图，由图7可以看出在对应的中心工作波长633nm处实现了交叉偏振的高效率转化、且同时实现了同向偏振的有效抑制。

如果选用的二氧化硅衬底12的厚度固定为2000nm，则只需要扫描单元结构尺寸C、纳米砖长度L、宽度W和高度H，以期获得最佳参数。经优化计算，得到优化参数为：C＝400nm，L＝270nm、 W＝140nm，H＝220nm。

S123将该混合频率信息图像作为目标影像，采用G-S优化算法确定全息元件的相位分布，使得具有工作波长的偏振光垂直入射纳米单元阵列时，出射光形成全息再现影像。

G-S算法也称迭代傅立叶变换算法，是一种相位优化算法，当确定了像平面上的想要得到的目标影像后，反算衍射光学元件面上的相位分布，所以通过G-S优化算法得到的是衍射光学元件面上的相位分布。

根据全息片的相位分布，从而得到纳米砖单元21的转角φ。具体的，几何位相超表面材料的相位调节原理为：

纳米砖单元21可等效为半波片，以琼斯矩阵计算，入射的左/右旋圆偏光的琼斯矢量分别为

已知半波片的琼斯矩阵为：

其中，φ为纳米砖单元21的转角，定义为纳米砖单元21长轴(纳米砖长边方向)与x方向的夹角，那么经过纳米砖单元21的出射光矢量为：

从公式(1)可以看出，出射光经过纳米砖单元21后旋向与入射光相反，但同时经历了一个2φ的相位延迟。因此通过调整纳米砖单元 21的转角φ的大小就可以调节出射光的位相。

几何相位超材料对于左旋圆偏振光(Left Circular Polarized，LCP) 和右旋圆偏振光(Right Circular Polarized，RCP)的相位调节量大小相同，符号相反，假设入射光是光强度为A₀的平面波，相位型全息元件的相位为

则全息元件在远场形成的全息再现影像的光强度分布I(x,y)为：

其中，A₀为垂直入射光的光强度，F表示傅里叶变换，

为全息元件的相位，(x₀,y₀)为工作面上的坐标。

如果相位型全息元件的相位分布变为

则光强度分布 I'(x,y)为：

其中，

λ为工作波长，z为全息再现影像到工作面的距离。

由此可知，当全息片的相位分布从

变成

时，相应的目标影像强度分布从I(x,y)变成I(-x,-y)，故当LCP和RCP分别入射到同一个全息元件时，形成的图案中心对称。

S124根据相位分布，确定纳米单元阵列的排列方式。

具体的，沿纳米砖单元21的长度和宽度方向上，将纳米砖单元 21均匀排布得到纳米单元阵列。

排列周期为：

其中，d_x为纳米砖单元21在X轴方向的排列周期，d_y为纳米砖单元21在Y轴方向的排列周期，m为目标影像在X轴方向的像素数， n为目标影像在Y轴方向的像素数，λ为工作波长，θ_x为目标影像在 X轴方向的投影角度，θ_y为目标影像在Y轴方向的投影角度。

单周期内纳米砖单元21的长、宽方向的单元数满足公式：

其中，M和N分别为单周期内纳米砖单元21的长、宽方向的单元数，dx为纳米砖单元21在X轴方向的周期，dy为纳米砖单元21 在Y轴方向的周期，C为单元结构工作面的边长。

设计得到全息元件后，以具有工作波长的偏振光垂直入射全息元件时，出射光形成全息再现影像，且在全息再现影像的不同观测距离上观测到不同的特征图像。

观测距离指人眼到全息再现影像的距离。指定观测距离根据全息再现影像的大小、截止空间频率和视觉对比敏感度函数确定。

具体的，指定观测距离是指构造混合频率信息图像的空间频率选定，且全息再现影像的大小确定时，能够观测到包含高频信息的特征图像或者包含低频信息的特征图像的距离。为了便于说明，能够观测到包含高频信息的特征图像的距离为第一指定观测距离，能够观测到包含低频信息的特征图像的距离为第二指定观测距离。

还是以图2为例进行说明，图2中的目标影像包含六边形的高频信息和圆环的低频信息，如果目标影像的像素为300*300，大小为 6cm*6cm，当全息再现影像的大小以及用于得到目标影像的截止空间频率确定时，可以根据视觉对比敏感度函数得到人眼所能接收到总信息量，以确定指定观测距离，具体说明如下：

图8所示为在观测距离为0.5m处观测6cm*6cm大小的目标影像时，人眼能够接收到的高频信息和低频信息的信息值。图9在观测距离为2m处观测6cm*6cm大小的目标影像时，人眼能够接收到的高频信息和低频信息的信息值。其中，信息值是经过滤波处理后的图像的空间频率图与人眼对比敏感度函数乘积的总和，横坐标为c/d(单位视角内的周期数，cycles per degree of visual angle)，对比敏感度函数是指人眼对空间频率的敏感程度。总信息量是图8和图9中曲线与横坐标轴之间所围成的面积，该总信息量可以表示人眼所能接收到来自特征图像的信息值之和。

从图8中可以看到：在观测距离为0.5m处观察上述像素为 300*300，大小为6cm*6cm的目标影像，人眼能够观测到的高频信息的总信息量较大，即主要看到六边形。从图9中可以看到：在观测距离为2m处观察上述像素为300*300，大小为6cm*6cm的目标影像，人眼能够观测到的低频信息的总信息量较大，即主要看到圆环。

形成全息再现影像的成像屏幕可以放置在距离全息元件(也称为全息片)表面的0.2米以外的任何地方，且成像屏幕到全息片的距离越远，全息再现影像越大。若成像屏幕到全息片的距离为d时，形成的全息再现影像的大小为S*S(单位是米)，则正常人眼观察全息再现影像能够主要看到高频信息的第一指定观测距离为0.5*S/0.06(单位是米)，主要看到低频信息的第二指定观测距离为2*S/0.06(单位是米)。

本发明第二实施例提供一种全息元件，全息元件包括基底层1 和纳米单元阵列，构成几何位相超表面，参见图5所示，其中，纳米单元阵包括多个排列在基底层上的纳米单元2。

纳米单元阵列是根据目标影像以及选定的偏振光的工作波长优化设计得到的，当具有工作波长的偏振光垂直入射纳米单元阵列时，出射光形成的全息再现影像，且在全息再现影像的指定观测距离上观测到目标影像中的特征图像。

其中，目标影像为至少二幅特征图像叠加得到的混合频率信息图像，每幅特征图像包含不同的原始图像的高频信息或者低频信息。目标影像的详细说明参见第一实施例，此处不再赘述。

全息元件的材料以及纳米单元2的形状不作限定。纳米单元可以是金属或者电介质材料。纳米单元为柱形结构，柱形结构的横截面为矩形或者椭圆。基底层1可以由单层或者多层材料构成，不作限定。

除了前述的纳米砖单元21的SOI材料，全息元件还可以包括其他类型的材料，例如，全息元件还可以包括基底、反射层、F-P层、以及排布于F-P层上的电介质纳米砖阵列，基底层1包括基底、基底上的反射层以及反射层上的F-P层。反射层用来发射入射光，优选采用工作波长下反射率高于0.90的金属材料制作；F-P层用来增强反射光的反向偏振转化效率，优选采用无损材料制作，无损材料指工作波长下对光无吸收且透射率和反射率之和为1的材料；电介质纳米砖阵列用来产生所需要的相位延迟量，优选采用折射率大于3.2的电介质材料制作。例如，基底采用二氧化硅，反射层采用金属银反射层，F-P 层采用熔融石英层，电介质纳米砖采用硅纳米砖结构。

本发明第三实施例提供一种加密方法，使用前述实施例中的全息元件对光学信息进行加密处理，加密方法包括：

S210选定偏振光的类型，以具有工作波长的偏振光垂直入射全息元件，在全息再现影像的不同观测距离上记录观测到的特征图像，以建立偏振光的类型、观测距离和特征图像之间的映射关系。

S220使用特征图像对机密信息进行编码后得到编码表。

S230根据特征图像，在映射关系中查找对应的偏振光的类型和观测距离并生成密钥。其中，特征图像表示S220中的机密信息。

以下通过示例加以说明：

图10的 a所示是构建的目标影像，目标影像由从上到下排列的4张子图像构成，每张子图像的构建过程参见第一实施例中图2以及相应说明，此处不再赘述。

用LCP、RCP和LP分别照射全息元件，图10的 b显示在近处和远处分别观察全息再现影像的结果，其中，近处指第一观测距离，远处指第二观测距离，例如，LCP照射全息元件时，在近处观测到特征图像①，在远处观测到特征图像②。RCP照射全息元件时，在近处观测到特征图像③，在远处观测到特征图像④。LP照射全息元件时，在近处观测到特征图像⑤，在远处观测到特征图像⑥。图10的 b也表示偏振光的类型、观测距离和特征图像之间的映射关系。

图10的 c是使用特征图像对机密信息进行编码后得到编码表，即信息加密的过程，例如以特征图像③代表“love is all”，特征图像①②代表信息“3.1415926”，特征图像⑤③④代表信息“中国”。

在图10的 c中，根据表示机密信息的特征图像的映射关系，查找对应的偏振光的类型和观测距离并生成密钥。例如，特征图像③对应 RCP照射，并在近处观测，因此，密钥key1包括RCP(近处)。同样得到：密钥key2包括先LCP(近处)，然后LCP(远处)。密钥key3 包括依次的LP(近处)、RCP(近处)和RCP(远处)。

本发明第四实施例提供一种解密方法，在本发明第三实施例的基础上，解密方法包括：

S310接收编码表和密钥。其中，密钥包括偏振光的类型和观测距离，编码表包括特征图像和对应的机密信息。

S320将密钥中指定的偏振光垂直入射全息元件，在指定的观测距离上记录观测到的特征图像。

S330根据特征图像从编码表中查找机密信息。

假设张三想要传递不同的信息给三个人。这些所有的信息都被编码在一个全息元件(即全息片)上，然后把相同的全息片分别送到三个人手里。拿到全息片后，三人分别利用自定义的密钥key1、key2 和key3，首先得到特征图像，然后根据得到的特征图像，从编码表中可以分别读出信息，并解读出含义：特征图像③代表“love is all”，特征图像①和②代表信息“3.1415926”，特征图像⑤③④代表信息“中国”。本实施例可以对英文、数字和中文等任何信息进行加密。

图10的 c为其中的几种信息加密的过程，包括信息编码和信息解码。另外，还可以通过六种基本信息的组合来满足所需要的信息加密容量。

本发明第五实施例提供一种加密装置，加密装置包括全息元件、映射模块和编码模块。

映射模块用于选定偏振光的类型，以具有工作波长的偏振光垂直入射全息元件，在全息再现影像的不同观测距离上记录观测到的特征图像，以建立偏振光的类型、观测距离和特征图像之间的映射关系。

编码模块用于使用特征图像对机密信息进行编码后得到编码表；还用于根据表示机密信息的特征图像的映射关系，查找对应的偏振光的类型和观测距离并生成密钥。

本发明第六实施例提供一种解密装置，基于本发明第五实施例加密装置，解密装置包括全息元件、接收模块、提取模块和解码模块。

接收模块用于接收编码表和密钥。其中，密钥包括偏振光的类型和观测距离，编码表包括特征图像和对应的机密信息。

提取模块用于将密钥中指定的偏振光垂直入射全息元件，在指定的观测距离上记录观测到的特征图像。

解码模块用于根据特征图像从编码表中查找机密信息。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (12)

1.一种全息元件的构造方法，其特征在于，其包括：

将至少二幅特征图像叠加得到的混合频率信息图像作为目标影像，每幅特征图像包含对不同的原始图像进行高通滤波处理后得到的高频信息或者进行低通滤波处理后得到的低频信息；

根据目标影像和选定的偏振光的工作波长，优化设计几何相位超表面全息元件，在全息再现影像的指定观测距离上观测到所述特征图像；

所述滤波处理的截止空间频率为：f₀＝f_1/2+Δ，其中，f₀为截止空间频率，f_1/2为所述原始图像的频谱分析结果中1/2增益值对应的空间频率，Δ为预定的空间频率调整范围；

所述指定观测距离根据所述全息再现影像的大小、所述截止空间频率和视觉对比敏感度函数确定；其中，当所述全息再现影像的大小以及所述截止空间频率确定时，根据视觉对比敏感度函数得到人眼所能接收到的总信息量，以确定所述指定观测距离。

2.如权利要求1所述的全息元件的构造方法，其特征在于：所述高通滤波和低通滤波均为高斯滤波。

3.如权利要求1所述的全息元件的构造方法，其特征在于：所述偏振光为左旋圆偏振光、右旋圆偏振光或者线性偏振光。

4.如权利要求1所述的全息元件的构造方法，其特征在于：所述全息元件包括基底层以及基底层上的纳米单元阵列；

所述全息元件的优化设计方法包括：

采用电磁仿真法优化所述全息元件的结构参数；

采用G-S优化算法确定所述全息元件的相位分布，使得具有所述工作波长的偏振光垂直入射全息元件时，出射光形成所述全息再现影像；

根据相位分布确定所述纳米单元阵列的排列方式。

5.如权利要求1所述的全息元件的构造方法，其特征在于：所述原始图像包括字符、图案和几何图形中的至少一种。

6.一种全息元件，其特征在于，其包括：

基底层；

纳米单元阵列，其包括由多个排列在基底层上的纳米单元形成的纳米单元阵列，纳米单元阵列是根据目标影像以及选定的偏振光的工作波长优化设计得到的，当具有工作波长的偏振光垂直入射纳米单元阵列时，在全息再现影像的指定观测距离上观测到目标影像中的特征图像；

其中，所述目标影像为至少二幅特征图像叠加得到的混合频率信息图像，每幅特征图像包含对不同的原始图像进行高通滤波处理后得到的高频信息或者进行低通滤波处理后得到的低频信息；

所述滤波处理的截止空间频率为：f₀＝f_1/2+Δ，其中，f₀为截止空间频率，f_1/2为所述原始图像的频谱分析结果中1/2增益值对应的空间频率，Δ为预定的空间频率调整范围；

所述指定观测距离根据所述全息再现影像的大小、所述截止空间频率和视觉对比敏感度函数确定；其中，当所述全息再现影像的大小以及所述截止空间频率确定时，根据视觉对比敏感度函数得到人眼所能接收到的总信息量，以确定所述指定观测距离。

7.如权利要求6所述的全息元件，其特征在于：所述纳米单元为柱形结构，柱形结构的横截面为矩形或者椭圆。

8.如权利要求7所述的全息元件，其特征在于：所述纳米单元为纳米砖单元，纳米砖单元的材料为晶体硅，所述基底层包括晶体硅基底以及晶体硅基底上的二氧化硅衬底。

9.一种基于权利要求6所述的全息元件的加密方法，其特征在于，其包括：

选定偏振光的类型，以具有工作波长的偏振光垂直入射所述全息元件，在全息再现影像的不同观测距离上记录观测到的特征图像，以建立偏振光的类型、观测距离和特征图像之间的映射关系；

使用特征图像对机密信息进行编码后得到编码表；

根据特征图像，在映射关系中查找对应的偏振光的类型和观测距离并生成密钥。

10.一种基于权利要求6所述的全息元件的解密方法，其特征在于，其包括：

接收编码表和密钥，所述密钥包括偏振光的类型和观测距离，所述编码表包括特征图像和对应的机密信息；

将密钥中指定的偏振光垂直入射所述全息元件，在指定的观测距离上记录观测到的特征图像；

根据特征图像从编码表中查找机密信息。

11.一种加密装置，其特征在于，其包括：

如权利要求6所述的全息元件；

映射模块，其用于选定偏振光的类型，以具有工作波长的偏振光垂直入射所述全息元件，在全息再现影像的不同观测距离上记录观测到的特征图像，建立偏振光的类型、观测距离和特征图像之间的映射关系；

编码模块，其用于使用特征图像对机密信息进行编码后得到编码表；还用于根据表示机密信息的特征图像的映射关系，查找对应的偏振光的类型和观测距离并生成密钥。

12.一种解密装置，其特征在于，其包括：

如权利要求6所述的全息元件；

接收模块，其用于接收编码表和密钥，所述密钥包括偏振光的类型和观测距离，所述编码表包括特征图像和对应的机密信息；

提取模块，其用于将密钥中指定的偏振光垂直入射所述全息元件，在指定的观测距离上记录观测到的特征图像；

解码模块，其用于根据特征图像从编码表中查找机密信息。

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