CN109814360A - 一种基于环形随机相位板的光学扫描全息实现多图像并行加密的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于环形随机相位板的光学扫描全息实现多图像并行加密的方法，属于数字全息技术领域。本发明采用环形光瞳滤波器和随机相位板作为光学扫描全息系统中的两个光瞳，通过波迭加产生频率为Ω的干涉光对物体进行扫描，可以通过一次扫描记录多层图像的全息加密图像。然后通过相应的重建函数可以实现对每一层图像的重建得到解密图像，本发明在多图像快速加密和解密的相关领域，具有很好的应用前景。

Description

一种基于环形随机相位板的光学扫描全息实现多图像并行加 密的方法

技术领域

本发明涉及一种基于环形随机相位板的光学扫描全息实现多图像并行加密的方法，属于数字全息技术领域。

背景技术

光学信息加密技术作为一种新的加密手段，近年来得到了快速发展，成为现代加密技术的重要研究内容之一。与传统的加密技术相比，光学信息加密技术具有信息容量大、加密速度快、可多路并行等优势。还可以在加密的过程中应用一定的光学变换原理，如衍射、干涉和滤波等。从某种意义上说，光学信息加密技术比其它的加密方法更具优越性，因而研究光学信息加密和解密的相关技术对信息安全等领域具有重要的学术和应用价值。

光学扫描全息技术是一种新型的数字全息技术，基于双光瞳外差扫描技术，该技术由美国弗吉尼亚理工大学Ting-Chung Poon教授等人共同提出并逐步完善(T.-C Poon,Scanning holography and two-dimensional image processing by acousto-optictwo-pupil synthesis[J].Journal of the Optical Society of America A,1985,2(4):521-527.)，在国际信息光学领域受到广泛的关注。应用光学扫描全息术进行图像加密，具有采集速度、环境适应性、抗干扰性和检测稳定性等方面具有很大优势。该技术可以通过一次二维光学外差扫面就可以获取到多层图像的加密全息图信息。并且区别于传统数字全息技术，光学扫描全息技术可以有效地避免相干光所带来的散斑效应，因此有利于重建出高质量的解密图像。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于环形随机相位板的光学扫描全息实现多图像并行加密的方法，采用环形光瞳滤波器和随机相位板作为双光瞳外差系统中的两个光瞳来实现对多图像的光学加密，并通过数字重建了获得每一层的解密图像，以解决上述问题。

本发明的技术方案是：一种基于环形随机相位板的光学扫描全息实现多图像并行加密的方法，包括加密过程和解密过程。其中加密过程是应用光学扫描全息束进行多层图像光学记录的过程，激光器出射的一束光通过第一分束镜分为两束，其中一束作为参考光束，依次通过声光调频器、第一反射镜、第一光瞳、第二分束镜，另一束作为物光束，依次通过第二反射镜、第二光瞳、第二分束镜。物光束和参考光束通过第二分光镜合为一束光通过第二透镜会聚到二维扫描镜上，通过二维扫描镜实现对物体的光学扫描，扫描后的光束通过第二透镜会聚到第一光电探测器的输入端，光电探测器的输出端与带通滤波器的输入端相连，带通滤波器的输出信号进入锁相放大器的输入端，锁相放大的输出端输出两轮，分别是同相分量i_c(x,y)和正交分量i_s(x,y)，通过模数转换器存储在数字计算机中，通过计算机合成复数形式的复分布加密全息图i(x,y)＝i_c(x,y)+ji_s(x,y)。解密的过程可以看做数字全息重建的过程，只需要通过将加密全息图与相应的重建函数进行卷积就可以得到每一层的解密图像。

所述的声光调频器的调制频率为Ω，所述的第二分光镜使参考光束和物光束汇合并共路，通过光波迭加干涉，产生具有差频Ω的干涉光，形成外差扫描系统用于对待测物体进行实时扫描。

所述的两个光瞳分别采用环形光瞳滤波器和随机相位板。

所述的带通滤波器的中心频率为Ω，滤除光电探测器后信号的直流成分和高频干扰成分，得到以Ω为中心频率的窄带外差信号。

所述的锁相放大器由乘法器和低通滤波器组成，锁相放大器的参考频率为为Ω，由第二光电探测器采集并提供。通过乘法器使外差信号分为两路分别与单频信号cos(Ωt)和sin(Ωt)混频，通过低通滤波器提取出同相分量i_c和正交分量i_s，并作为复分布加密全息图的实部和虚部，通过模数转换其分别输入数字计算机中。

所述的数字计算机对于输入的同相分量i_c和正交分量i_s进行数字合成复分布全息图，然后通过计算机进行数字重建就可以得到解密图像。

本发明基于光学扫描全息的多图像并行加密技术包括了光学加密和数字解密的两个过程，可以看作是数字全息的记录与重建的过程。但是在该技术的光学加密过程中，通过将光束分成不同的两个波前进行干涉形成结构干涉光，而实现对多图像的高分辨率加密记录，通过光电探测器记录并转变成电流信号，这是光学扫描全息技术和其他全息术的特别不同之处。转化为电流信号后可以通过带通滤波器、锁相放大器等电学手段进行解调，最终的到一个复数形式的复分布加密全息图并存储于计算机中。利用得到的复分布加密全息图与相应的重建函数进行卷积就可以得到每一层的图像信息。

本发明在此基础上，选择环形光瞳滤波器和随机相位板作为光学外差扫面中的两个光瞳干涉合成环形随机相位板，来实现对多图像的加密与解密，该方法可以先去光学扫描全息重建时离焦噪声的影响，实现对重建平面的图像信息的边缘提取，解密出图像的细节信息，增加图像的可识别能力。在对多图像并行加密的领域有很好的应用价值。

本发明的有益效果是：

(1)本发明基于光学扫描全息技术，其中包括两个入射光瞳，本发明对两个光瞳进行设计，采用环形光瞳滤波器和随机相位板来实现对光束的波前调制，然后利用两束光的差频相干光场对物体进行二维扫描，然后通过光电探测器接收并转化为电流信号，通过带通滤波器和锁相放大器对电信号进行处理，最后就可以用计算机得到物体的复分布全息图，可以有效快速的对多张图像通过一次扫描便得到加密的全息图。

(2)本发明中的采用随机相位板作为其中一个光瞳可以在光学记录的过程中进行光学图像的加密同时在数字重建时将除重建层的其它层图像以随机噪声的形式呈现在重建的解密图片中，然后通过另一个环形光瞳滤波器滤除随机噪声，同时实现对图像的边缘细节信息的提取，提高解密图像的被识别能力。

附图说明

图1是本发明使用的光学系统的结构示意图；

图1中：1-激光器，2-第一分束镜，3-声光调频器，4-第一反光镜，5-第一光瞳，6-第二分束镜，7-第二反光镜，8-第二光瞳，9-第一透镜，10-二维扫描镜，11-多层图像模型，12-第二透镜，13-第一光电探测器，14-第二光电探测器，15-带通滤波器，16-锁相放大器，17-模数转换器，18-数字计算机。

图2是本发明两个光瞳的透过率分布图；

其中：a是环形光瞳滤波器的透过率分布图，b是随机相位板的透过率分布图。

图3是本发明实施例中三个切片图像的原始图；

图4是本发明实施例中加密全息图；

其中：a是正弦加密全息图，b是余弦加密全息图。

图5是本发明实施例中三个切片图像的解密图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：一种基于环形随机相位板的光学扫描全息实现多图像并行加密的方法，将激光器出射的一束中心频率为ω₀的光被分为两束，一束作为参考光束，另一束作为物光束，其中，对参考光束进行频率为Ω的频移处理后，两束光通过由环形光瞳滤波器和随机相位板作为双光瞳外差系统中的两个光瞳的调制处理，处理后的参考光束和物光束通过汇合并共路，通过光波迭加产生频率为Ω的干涉光，并会聚在位于第一透镜后焦面的二维扫描镜；通过二维扫描镜对物体进行扫描，扫描后的光束通过第二透镜聚集后由第一光电探测器接收，转换为电信号进行信号解调最终在计算机中合成复分布加密全息图，完成对多图像的并行加密过程，最后对完成加密的过程的多图像进行解密，解密过程是对加密全息图的数字重建过程，只需要将全息图与相应的重建函数卷积就可以得到相应层的图像。

所述的参考光束经过声光调频器后产生频率为Ω的频移，频率升至ω₀+Ω。

所述经过频移处理后的参考光束与物光束经过位于第一透镜的前焦面的两个光瞳后，完成波前调制，通过并路合束形成频率为Ω的环形随机相位板型干涉光。

所述的两个光瞳位于第一透镜的前焦面，可以看作是两个光结构加密函数，用以实现对两路信号的波前调制。两个光瞳函数分别采用环形光瞳滤波器和随机相位板，通过并路合束形成频率为Ω的环形随机相位板型干涉光。

所述的频率为Ω的干涉光，通过二维扫描镜实现对物体的扫描，实现对物体扫描时的光学传递函数为：

式中，k_x和k_y分别表示频域坐标，j表示虚数单位，上标*表示复共轭，λ表示光波的波长，k₀＝2π/λ表示波数，f表示第一透镜的焦距，z表示待测物体到第一透镜透镜后焦面的距离，x’和y’分别表示横向和纵向的积分变量，p₁、p₂分别表示两个光瞳所表示光结构加密函数，表示为：

式中，circ表示圆孔透过率函数，w₀表示外环半径，w_i表示内环半径，r表示极坐标是均匀分布在[0,1]之间的随机噪声，通过空间光调制器产生。

所述的第一光电探测器采集光信号后输出带有全息信息且与物体扫描位置相关的电流信号，电流信号进入带通滤波器的输入端，得到频率为Ω的外差电流信号，外差电流信号进入锁相放大器的输入端后分别与正弦加密全息图sin(Ωt)和余弦加密全息图cos(Ωt)混频后通过低通滤波器产生同相分量i_c(x,y)和正交分量i_s(x,y)，然后通过模数转换器存储在数字计算机中，最后通过数字计算机合成用复数形式表示的复分布加密全息图，表示为i(x,y)＝i_c(x,y)+ji_s(x,y)；

多图像的加密全息图可以表示为多个切面成像后的加密全息图总和，即：

式中，F和F^-1分别表示傅里叶变换和傅里叶逆变换，O(x,y；z_i)表示物体振幅透过率函数，x和y分别表示空域坐标，k_x和k_y分别表示频域坐标，z_i表示多层加密图像中第i个切面图像到第一透镜后焦面的距离，O_TF是该光学扫描全息系统的光学传递函数。

所述解密的过程中的重建函数就是光学扫描全息系统的光学脉冲相应函数，表示为光学传递函数的逆傅里叶变换，即：

ψ(x,y；z_c)＝F^-1{O_TF(k_x,k_y；z_c)} (5)

式中，z_c是进行数字重建时的的重建距离；

根据相位迭代算法，解密过程选择的两个解密光瞳函数需要满足：

式中，p_1d和p_2d分别是解密时的两个光瞳函数；

通过将记录的复分布加密全息图与空间脉冲响应卷积，重建出解密的图像，表示为：

式中，表示二维卷积运算。

在解密后的图像中，随机相位板可以将离焦的图像以随机噪声的形式呈现，并通过环形光瞳滤波器滤除，并提取聚焦层图像的边缘信息，增强解密图像的被识别能力。

实施例2：如图1所示，一种基于环形随机相位板的光学扫描全息实现多图像并行加密的方法，用到得光学系统具体包括激光器1，第一分束镜2，声光调频器3，第一反光镜4，第一光瞳5，第二分束镜6，第二反光镜7，第二光瞳8，第一透镜9，二维扫描镜10，多层图像模型11，第二透镜12，第一光电探测器13，第二光电探测器14，带通滤波器15，锁相放大器16，模数转换器17，数字计算机18。

激光器1出射的一束中心频率为ω₀的光通过第一分束镜2分为两束，其中一束作为参考光束，另一束作为物光束。其中参考光束通过声光调频器3产生Ω的频移后再通过第二反光镜4、第一光瞳5后形成环形光，物光通过第二反光镜7，第二光瞳8后加载了随机相位噪声。两束光通过第二分束镜6会聚，光波迭加后，产生具有差频Ω的干涉的环形随机相位结构光，并通过第二透镜9会聚在二维扫描镜10上，对原始物体11进行扫描。其中激光器1的的波长为632.8nm，第一光瞳5采用环形光瞳滤波器，第二光瞳8采用随机相位板，两个光瞳的透过率分布图如图2，分别表示为：

其中，circ表示圆孔透过率函数，w₀表示外环半径，w_i表示内环半径，r表示极坐标是均匀分布在[0,1]之间的随机噪声，可以通过空间光调制器产生。第一透镜9的焦距为10cm。原始物体11是一个具有三个切片层的图像如图3所示，三个切片的尺寸均为2mm×2mm，采样像素点为512×512，到第一透镜9后焦面的距离分别为z₁＝10mm，z₂＝12mm，z₃＝15mm。扫描后的透射光束通过第二透镜12会聚到第一光电探测器13完成加密全息图的采集并转换为电流信号，系统的光学传递函数可以表示为：

其中，k_x和k_y分别表示频域坐标，j表示虚数单位，上标*表示复共轭，λ表示光波的波长，k₀＝2π/λ表示波数，f表示第一透镜的焦距，z表示待测物体到第一透镜透镜后焦面的距离，x’和y’分别表示横向和纵向的积分变量，p₁、p₂分别表示两个光瞳函数的表达式。

通过第一光电探测器转化后的电流信号进入带通滤波器15的输入端，带通滤波器15的中心频率为Ω，

带通滤波器15可以滤除电流信号中的直流成分和高频干扰成分，得到频率为Ω的外差电流信号。输出的外差信号进入锁相放大器16的输入端，锁相放大器的参考频率为为Ω，由第二光电探测器14采集并提供。通过锁相放大器16分别与sin(Ωt)和cos(Ωt)混频后产生同相分量i_c(x,y)和正交分量i_s(x,y)，然后通过模数转换器17存储在数字计算机18中，其中i_c(x,y)和i_s(x,y)又可以称为正弦加密全息图和余弦加密全息图，如图4。最后通过数字计算机18合成用复数形式表示的复分布加密全息图，可以表示为i(x,y)＝i_c(x,y)+ji_s(x,y)。对于多图像的加密全息图可以表示为多个切面加密后加密全息图的总和，可以表示为：

其中F和F^-1分别表示傅里叶变换和傅里叶逆变换。O(x,y；z_i)表示物体振幅透过率函数。x和y分别表示空域坐标，k_x和k_y分别表示频域坐标，z_i表示多层加密图像中第i个切面图像到第一透镜后焦面的距离，O_TF是该光学扫描全息系统的光学传递函数。

对于解密的过程可以看作是对全息图进行数字重建的过程，至于要让加密图像与相应的重建函数进行卷积就可以得到相应切片层的图像的边缘细节信息。解密的过程中的重建函数就是光学扫描全息系统的光学脉冲相应函数，可以表示为光学传递函数的逆傅里叶变换，即：

ψ(x,y；z_c)＝F^-1{O_TF(k_x,k_y；z_c)}

其中，z_c是进行数字重建时的的重建距离。根据相位迭代算法，解密过程选择的两个解密光瞳函数需要满足：

通过将记录的复分布加密全息图与空间脉冲响应卷积，便可以重建出解密的图像：

其中，表示二维卷积运算。解密结果如图5，在解密后的图像中，随机相位板可以将离焦的图像以随机噪声的形式呈现，并通过环形光瞳滤波器滤除，并提取聚焦层图像的边缘信息，增强解密图像的被识别能力。

本发明还可以自动消除系统存在的其他误差如像差等，且不再含有共轭像。该方法结构简单，易于操作，具有很强的实用性，在多图像并行加密和解密等领域具有重要的应用价值。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于环形随机相位板的光学扫描全息实现多图像并行加密的方法，其特征在于：将激光器出射的一束中心频率为ω₀的光被分为两束，一束作为参考光束，另一束作为物光束，其中，对参考光束进行频率为Ω的频移处理后，两束光通过由环形光瞳滤波器和随机相位板作为双光瞳外差系统中的两个光瞳的调制处理，处理后的参考光束和物光束通过汇合并共路，通过光波迭加产生频率为Ω的干涉光，并会聚在位于第一透镜后焦面的二维扫描镜；通过二维扫描镜对物体进行扫描，扫描后的光束通过第二透镜聚集后由第一光电探测器接收，转换为电信号进行信号解调最终在计算机中合成复分布加密全息图，完成对多图像的并行加密过程，最后对完成加密的过程的多图像进行解密，解密过程是对加密全息图的数字重建过程，只需要将全息图与相应的重建函数卷积就可以得到相应层的图像。

2.根据权利要求1所述的基于环形随机相位板的光学扫描全息实现多图像并行加密的方法，其特征在于：所述的参考光束经过声光调频器后产生频率为Ω的频移，频率升至ω₀+Ω。

3.根据权利要求1所述的基于环形随机相位板的光学扫描全息实现多图像并行加密的方法，其特征在于：所述经过频移处理后的参考光束与物光束经过位于第一透镜的前焦面的两个光瞳后，完成波前调制，通过并路合束形成频率为Ω的环形随机相位板型干涉光。

4.根据权利要求1所述的基于环形随机相位板的光学扫描全息实现多图像并行加密的方法，其特征在于：所述的频率为Ω的干涉光，通过二维扫描镜实现对物体的扫描，实现对物体扫描时的光学传递函数为：

式中，k_x和k_y分别表示频域坐标，j表示虚数单位，上标*表示复共轭，λ表示光波的波长，k₀＝2π/λ表示波数，f表示第一透镜的焦距，z表示待测物体到第一透镜透镜后焦面的距离，x’和y’分别表示横向和纵向的积分变量，p₁、p₂分别表示两个光瞳所表示光结构加密函数，表示为：

式中，circ表示圆孔透过率函数，w₀表示外环半径，w_i表示内环半径，r表示极坐标 是均匀分布在[0,1]之间的随机噪声，通过空间光调制器产生。

5.根据权利要求1所述的基于环形随机相位板的光学扫描全息实现多图像并行加密的方法，其特征在于：所述的第一光电探测器采集光信号后输出带有全息信息且与物体扫描位置相关的电流信号，电流信号进入带通滤波器的输入端，得到频率为Ω的外差电流信号，外差电流信号进入锁相放大器的输入端后分别与正弦加密全息图sin(Ωt)和余弦加密全息图cos(Ωt)混频后通过低通滤波器产生同相分量i_c(x,y)和正交分量i_s(x,y)，然后通过模数转换器存储在数字计算机中，最后通过数字计算机合成用复数形式表示的复分布加密全息图，表示为i(x,y)＝i_c(x,y)+ji_s(x,y)；

多图像的加密全息图可以表示为多个切面成像后的加密全息图总和，即：

式中，F和F^-1分别表示傅里叶变换和傅里叶逆变换，O(x,y；z_i)表示物体振幅透过率函数，x和y分别表示空域坐标，k_x和k_y分别表示频域坐标，z_i表示多层加密图像中第i个切面图像到第一透镜后焦面的距离，O_TF是该光学扫描全息系统的光学传递函数。

6.根据权利要求1所述的基于环形随机相位板的光学扫描全息实现多图像并行加密的方法，其特征在于：所述解密的过程中的重建函数就是光学扫描全息系统的光学脉冲相应函数，表示为光学传递函数的逆傅里叶变换，即：

ψ(x,y；z_c)＝F^-1{O_TF(k_x,k_y；z_c)} (5)

式中，z_c是进行数字重建时的的重建距离；

根据相位迭代算法，解密过程选择的两个解密光瞳函数需要满足：

式中，p_1d和p_2d分别是解密时的两个光瞳函数；

通过将记录的复分布加密全息图与空间脉冲响应卷积，重建出解密的图像，表示为：

式中，表示二维卷积运算。