CN113467210B - 一种多维空-时光场压缩全息加密装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维空‑时光场压缩全息加密装置及方法，属于信息安全技术领域，包括扩束光学组件、分束器组、多维空‑时光场、空间光调制器和探测器，扩束光学组件布置在激光束照射在原始物体上所产生反射光的路径上，经扩束光学组件扩束准直后的激光束的光路径上布置有第一分束器，第一分束器将激光束分为物光束和参考光束，物光束的路径上设有多维空‑时光场，与光场相距为Δz₁的位置布置有空间光调制器，空间光调制器和光场之间布置有第二分束器，与空间光调制器相距为Δz₂的位置布置有探测器；空间光调制器生成的时变复合掩膜由时变随机相位掩膜和时变透镜相位因子组成。本发明可有效的降低解密重建时不同帧之间的串扰影响。

Description

一种多维空-时光场压缩全息加密装置及方法

技术领域

本发明涉及信息安全技术领域，特别涉及一种多维空-时光场压缩全息加密装置及方法。

背景技术

随着科技的不断发展，信息安全领域的应用越来越广泛，加密场景复杂度也随之提高。尤其在某些复杂场合所记录场景不仅包含时间维度，亦具有深度信息，如军事领域的影像传输、利用全息显微镜进行水质监控与水中微生物监控等。光学加密作为处理信息安全问题极为有效的一种解决方案，受到越来越多的关注。然而随着光场时间维度的增加，庞大的数据量、加密与解密所需时间、不同帧之间的串扰成为了限制空-时光场加密技术发展的主要因素。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，降低不同帧之间存在的串扰影响。

为实现以上目的，一方面，本发明采用一种多维空-时光场压缩全息加密装置，包括扩束光学组件、分束器组、多维空-时光场、空间光调制器和探测器，多维空-时光场为3D空-时光场、彩色空-时光场或4D空-时光场，分束器组包括第一分束器和第二分束器；扩束光学组件布置在激光束照射在原始物体上所产生反射光的路径上，经扩束光学组件扩束准直后的激光束的光路径上布置有第一分束器，第一分束器将激光束分为物光束和参考光束，物光束的路径上设有多维空-时光场，与光场相距为Δz₁的位置布置有空间光调制器，空间光调制器和光场之间布置有第二分束器，与空间光调制器相距为Δz₂的位置布置有探测器；空间光调制器生成的时变复合掩膜由时变随机相位掩膜和时变透镜相位因子组成。

进一步地，在所述多维空-时光场为3D空-时光场或4D空-时光场时，所述扩束光学组件包括扩束器和透镜，扩束布置在激光束照射在所述原始物体上所产生反射光的路径上，经扩束器扩束准直后的激光束的光路径上布置有透镜，透镜的透射光路径上布置有所述第一分束器。

进一步地，在所述多维空-时光场为彩色空-时光场时，所述扩束光学组件包括第一扩束器、第二扩束器、第三扩束器、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第三分束器和第四分束器，红色激光束路径上依次布置有第一扩束器和第一透镜，绿色激光束路径上依次布置有第二扩束器和第二透镜，蓝色激光束路径上依次布置有第三扩束器和第三透镜，第一透镜和第二透镜的透射光路径上布置有第三分束器，第四分束器布置在第三分束器分束的光路经与第三透镜的透射光路径相交处。

进一步地，所述时变复合掩膜

其中，时变随机相位掩膜为

时变透镜相位因子为exp(j·2πd(x,y,t))；其中，

为时变的0～1内均匀分布的随机矩阵，d(x,y,t)为时变的传播内核，exp()为以自然常数e为底的指数函数，j为虚数单位。

另一方面，采用一种多维空-时光场压缩全息加密方法，用于对上述加密装置进行控制，包括：

所述第一分束器将扩束光学组件扩束准直后的激光束分为物光束和参考光束；

物光束照射在所述多维空-时光场上，并传播至所述空间光调制器，通过空间光调制器生成的时变复合掩膜对多维空-时光场加密后经所述第二分束器调整光路至与所述参考光束平行；

加密调整后的物光束和参考光束传播至所述探测器平面进行叠加记录，得到全息图。

进一步地，在所述多维空-时光场为3D空-时光场时，所述全息图的表示形式为：

其中，A与E_l分别为第l帧空-时光场传播至探测器平面的参考光场与物光场，L表示所述3D空-时光场的总帧数。

进一步地，在所述多维空-时光场为彩色空-时光场时，所述全息图的表示形式为：

其中，A_c与E_l,c分别为第l帧彩色空-时光场传播至探测器平面的参考光场与物光场的c通道，n_l,c表示第l帧空时光场c通道记录时的噪声，L表示所述彩色空-时光场的总帧数。

进一步地，在所述多维空-时光场为4D空-时光场时，所述全息图表示形式为：

其中，A与E_4d,l分别为第l帧空-时光场传播至探测器平面的参考光场与物光场，L表示所述4D空-时光场的总帧数。

再一方面，提供一种多维空-时光场压缩全息解密方法，用于基于上述加密方法得到的加密全息图、传播距离与时变复合掩膜，采用TwIST算法重建出原始光场。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明在加密时通过空间光调制器产生的由随机相位掩膜与透镜相位因子组成的复合相位掩膜实现光场加密，利用透镜相位因子将光场不同帧图像调制至不同空间，有效的降低解密重建时不同帧之间的串扰影响。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1是3D空-时光场压缩全息加密装置结构图；

图2是3D空-时光场压缩全息加密与解密示意图；

图3是彩色空-时光场压缩全息加密装置结构图；

图4是彩色空-时光场压缩全息加密与解密示意图；

图5是4D空-时光场压缩全息加密原理图；

图6是一种多维空-时光场压缩全息加密方法的流程图。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图1至图5所示，本实施例公开了一种多维空-时光场压缩全息加密装置，包括扩束光学组件、分束器组、多维空-时光场、空间光调制器和探测器，多维空-时光场为3D空-时光场、彩色空-时光场或4D空-时光场，分束器组包括第一分束器和第二分束器；扩束光学组件布置在激光束照射在原始物体上所产生反射光的路径上，经扩束光学组件扩束准直后的激光束的光路径上布置有第一分束器，第一分束器将激光束分为物光束和参考光束，物光束的路径上设有多维空-时光场，与光场相距为Δz₁的位置布置有空间光调制器，空间光调制器和光场之间布置有第二分束器，与空间光调制器相距为Δz₂的位置布置有探测器；空间光调制器生成的时变复合掩膜由时变随机相位掩膜和时变透镜相位因子组成。

具体地，如图1至图2所示，在所述多维空-时光场为3D空-时光场或4D空-时光场时，所述扩束光学组件包括扩束器和透镜，扩束布置在激光束照射在所述原始物体上所产生反射光的路径上，经扩束器扩束准直后的激光束的光路径上布置有透镜，透镜的透射光路径上布置有所述第一分束器。

如图3至图4所示，在所述多维空-时光场为彩色空-时光场时，所述扩束光学组件包括第一扩束器、第二扩束器、第三扩束器、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第三分束器和第四分束器，红色激光束路径上依次布置有第一扩束器和第一透镜，绿色激光束路径上依次布置有第二扩束器和第二透镜，蓝色激光束路径上依次布置有第三扩束器和第三透镜，第一透镜和第二透镜的透射光路径上布置有第三分束器，第四分束器布置在第三分束器分束的光路经与第三透镜的透射光路径相交处。

作为进一步优选的技术方案，所述时变复合掩膜

其中，时变随机相位掩膜为

时变透镜相位因子为exp(j·2πd(x,y,t))。

其中，

为时变的0～1内均匀分布的随机矩阵，d(x,y,t)为时变的传播内核，exp()为以自然常数e为底的指数函数，j为虚数单位。

如图1所示，3D空-时光场压缩全息加密过程为：首先利用第一分束器将扩束准直后的激光束分为物光和参考光，物光束首先照射在散射强度为O(x,y,t)的3D空时光场上，接着传播至与光场相距为Δz₁的空间光调制器平面，通过时变掩膜M(x,y,t)调制后，经第二分束器调整光路至与参考光平行，再传播Δz₂距离至探测器平面进行记录，Δt时间内记录的Gabor全息图可表示为探测器平面光场强度I(x,y,t)的积分：

其中：Q_[·]表示传播距离为[·]的PSF：

由于时变掩膜以离散形式进行变换，若Δt时间内空时光场共有L帧，时变掩膜以频率τ＝Δt/L变化L次。若采样间隔为Δ_k，根据傍轴近似理论，公式(1)可离散化为：

其中：A与E_l分别为第l帧空-时光场传播至探测器平面的参考光场与物光场，k为波数，

M(x,y,l)为第l帧空-时光场复合相位掩膜，O(x,y,l)为第l帧空-时光场的散射密度，

为二维傅里叶变换，j为虚数单位，λ为波长，

为空间光调制器平面至探测器平面的长度为Δz₂的传播距离，n₁，n₂分别为x,y轴的采样点数，Δ_k为采样间隔。

探测器获取的单帧全息图可写为：I＝|A+E|²＝A²+E²+A^*E+AE^*,参考光A为常数，假设参考光强度为1，单帧全息图可写为：

其中，A^*为A的共轭，

为E_l的共轭，n_l为第l帧的噪声。

3D空-时光场压缩全息加密示意图如图2所示，平行光束照射在离散化为L帧的O(x,y,t)的空-时光场后，经距离为Δz₁的空间传播至掩膜平面，由随机相位掩膜与变透镜相位组成的时变复合掩膜编码后，继续传播Δz₂距离至探测器平面，仅需单次曝光即可记录加密全息图。重建时，结合所得加密全息图、传播距离与时变复合掩膜，使用TwIST算法即可重建出原始3D空-时光场，具体为：

Δt时间内全息图的记录过程可建模为压缩感知过程，定义{vec[I_l(m₁Δ_k,m₂Δ_k)]}^T＝g_l，{vec[O(n₁Δ_k,n₂Δ_k,l)]}^T＝f_l，公式(3)可简化为：

其中：

表示第l帧空-时光场对应的传感矩阵，n为噪声。式(5)可写为：

g＝Hf+n (6)

其中：

为Δt时间内前向成像模型，

H＝[H₁ H₂ … H_L] (7)

其中：diag(·)表示对角矩阵。

通过求解一个无约束优化问题即可得到原始3D空-时光场的估计值：

彩色空-时光场压缩全息加密实验装置如图3所示，首先结合空分复用技术将红、绿、蓝三色激光平行传播组成复合光束，利用分束器将复合光束分为物光束和参考光束，物光束首先照射在彩色空-时光场上,接着传播至空间光调制器平面，经由随机相位掩膜与透镜相位因子组成的时变复合相位掩膜调制后，通过分束器调整光路至与参考光束平行，传播至探测器平面进行记录。

如图4所示，探测器平面记录的全息图可表示为Δt时间内光场强度I_rgb(x,y,t)的积分：

其中：c∈{R,G,B}，分别为红、绿、蓝三基色。O_c(x,y,t)为彩色空-时光场的c通道，Q_[·],c为不同光波长对应的点扩散函数，M_c(x,y,t)为时变复合相位掩膜，由时变随机相位掩膜

与时变透镜相位掩膜exp(j·2πd_c(x,y,t))组成。

其中：r(x,y,t)为随时间变化的随机相位掩膜板。

根据傍轴近似理论，公式(10)可离散化为：

其中：A_c与E_l,c分别为第l帧彩色空-时光场传播至探测器平面的参考光场与物光场的c通道。

定义{vec[I_c(m₁Δ_k,m₂Δ_k,l)]}^T＝g_l,c，vec{O_c[n₁Δ_k,n₂Δ_k,l]}＝f_l,c，公式(12)可简化为：

其中：

单通道全息记录可表示为：

g_c＝H_cf_c+n_c (14)

其中：

H_c＝[H_1,c H_2,c … H_L,c]为彩色空-时光场c通道对应的传感矩阵，

为彩色全息图c通道的噪声。

根据光的三基色原理，加密所得彩色全息图可写为：

g_rgb＝[g_R,g_G,g_B] (15)

解密时在接收端进行RGB分通道重建，分别通过求解一个无约束优化问题得到原始彩色空-时光场不同通道的估计值：

最终，融合RGB三个通道的估计值，重建彩色空-时光场：

如图5所示，4D空-时光场O(x,y,z,t)沿z轴正方向传播，传播Δz₁至空间光调制器平面经时变复合相位掩膜M(x,y,t)加密，继续传播Δz₂至探测器平面记录全息图。

探测器平面记录的加密全息图可以表示为场强度I_4d(x,y,t)的积分

其中：E₀(x,y,t；z₀)为待加密的4D空-时光场传播至最后一层平面z₀处的光场。

其中：Q_n为4D空-时光场轴向第n层传播至最后一层平面的点扩散函数，传播距离为(n-1)Δz，N为4D空-时光场轴向层数。

若Δt时间内4D空-时光场共有L帧，时变掩膜以频率τ＝Δt/L变化L次。根据傍轴近似理论，公式(18)可离散化为：

结合式(4)，可得：

Δt时间内加密全息图的记录过程可建模为压缩感知过程，定义{vec[I_4d(m₁Δ_k,m₂Δ_k,l)]}^T＝g_4d,l，vec{O[n₁Δ_k,n₂Δ_k,z₀-(n-1)·Δz,l]}＝f_n,l，公式(20)可简化为：

其中：第l帧4D空-时光场的传感矩阵

f_l＝[f_1,l f_2,l … f_N,l]^T，Q＝[Q₁ Q₂ … Q_N]，Q_n表示4D光场轴向第n层传播到最后一层平面的点扩散函数，n∈1～N。

其中：B为块对角矩阵。

g_4d＝Hf_4d+n (25)

其中：

H＝[H₁ H₂ … H_L]为Δt时间内的传感矩阵。

4D空-时光场的解密重建可通过一个无约束优化问题求解：

如图6所示，本实施例公开了一种多维空-时光场压缩全息加密方法，其特征在于，用于上述实施例所述的加密装置进行控制，包括如下步骤S1至S3：

S1、所述第一分束器将扩束光学组件扩束准直后的激光束分为物光束和参考光束；

S2、物光束照射在所述多维空-时光场上，并传播至所述空间光调制器，通过空间光调制器生成的时变复合掩膜对多维空-时光场加密后经所述第二分束器调整光路至与所述参考光束平行；

S3、加密调整后的物光束和参考光束传播至所述探测器平面进行叠加记录，得到全息图。

作为进一步优选的技术方案，在所述多维空-时光场为3D空-时光场时，所述全息图的表示形式为：

其中，A与E_l分别为第l帧空-时光场传播至探测器平面的参考光场与物光场，L表示所述3D空-时光场的总帧数。

作为进一步优选的技术方案，在所述多维空-时光场为彩色空-时光场时，所述全息图的表示形式为：

其中，A_c与E_l,c分别为第l帧彩色空-时光场传播至探测器平面的参考光场与物光场的c通道，n_l,c表示第l帧空时光场c通道记录时的噪声，L表示所述彩色空-时光场的总帧数。

作为进一步优选的技术方案，在所述多维空-时光场为4D空-时光场时，所述全息图表示形式为：

其中，A与E_4d,l分别为第l帧空-时光场传播至探测器平面的参考光场与物光场，L表示所述4D空-时光场的总帧数。

本实施例还公开了一种多维空-时光场压缩全息解密方法，用于对上述实施例所述加密方法得到的加密全息图、传播距离与时变复合掩膜，采用TwIST算法重建出原始光场。

本发明加密时通过空间光调制器产生的由随机相位掩膜与透镜相位因子组成的复合相位掩膜实现光场加密，由于空-时光场均叠加至同一加密全息图，不同层之间存在严重的串扰影响，利用透镜相位因子将光场不同帧图像调制至不同空间，有效的降低解密重建时不同帧之间的串扰影响。并且通过实验验证了本发明所提多维空-时光场加密算法解密失真度低，具有安全的密钥系统，仅在获取到加密全息图与完整密钥系统时才可高精度的解密重建出原始空-时光场；具有良好的抗干扰能力，干扰噪声逐渐增强时解密重建性能下降趋势缓慢，仍可获取原始光场的有效信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多维空-时光场压缩全息加密装置，其特征在于，包括扩束光学组件、分束器组、多维空-时光场、空间光调制器和探测器，多维空-时光场为3D空-时光场、彩色空-时光场或4D空-时光场，分束器组包括第一分束器和第二分束器；扩束光学组件布置在激光束照射在原始物体上所产生反射光的路径上，经扩束光学组件扩束准直后的激光束的光路径上布置有第一分束器，第一分束器将激光束分为物光束和参考光束，物光束的路径上设有多维空-时光场，与光场相距为Δz₁的位置布置有空间光调制器，空间光调制器和光场之间布置有第二分束器，与空间光调制器相距为Δz₂的位置布置有探测器；空间光调制器生成的时变复合掩膜由时变随机相位掩膜和时变透镜相位因子组成；

所述时变复合掩膜

其中，时变随机相位掩膜为

时变透镜相位因子为exp(j·2πd(x,y,t))；其中，

为时变的0～1内均匀分布的随机矩阵，d(x,y,t)为时变的传播内核，exp()为以自然常数e为底的指数函数，j为虚数单位。

2.如权利要求1所述的多维空-时光场压缩全息加密装置，其特征在于，在所述多维空-时光场为3D空-时光场或4D空-时光场时，所述扩束光学组件包括扩束器和透镜，扩束布置在激光束照射在所述原始物体上所产生反射光的路径上，经扩束器扩束准直后的激光束的光路径上布置有透镜，透镜的透射光路径上布置有所述第一分束器。

3.如权利要求1所述的多维空-时光场压缩全息加密装置，其特征在于，在所述多维空-时光场为彩色空-时光场时，所述扩束光学组件包括第一扩束器、第二扩束器、第三扩束器、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第三分束器和第四分束器，红色激光束路径上依次布置有第一扩束器和第一透镜，绿色激光束路径上依次布置有第二扩束器和第二透镜，蓝色激光束路径上依次布置有第三扩束器和第三透镜，第一透镜和第二透镜的透射光路径上布置有第三分束器，第四分束器布置在第三分束器分束的光路径与第三透镜的透射光路径相交处。

4.一种多维空-时光场压缩全息加密方法，其特征在于，用于对权利要求1-3任一项所述的加密装置进行控制，包括：

所述第一分束器将扩束光学组件扩束准直后的激光束分为物光束和参考光束；

物光束照射在所述多维空-时光场上，并传播至所述空间光调制器，通过空间光调制器生成的时变复合掩膜对多维空-时光场加密后经所述第二分束器调整光路至与所述参考光束平行；

加密调整后的物光束和参考光束传播至所述探测器平面进行叠加记录，得到全息图。

5.如权利要求4所述的多维空-时光场压缩全息加密方法，其特征在于，在所述多维空-时光场为3D空-时光场时，所述全息图的表示形式为：

其中，A与E_l分别为第l帧空-时光场传播至探测器平面的参考光场与物光场，L表示所述3D空-时光场的总帧数。

6.如权利要求4所述的多维空-时光场压缩全息加密方法，其特征在于，在所述多维空-时光场为彩色空-时光场时，所述全息图的表示形式为：

其中，A_c与E_l,c分别为第l帧彩色空-时光场传播至探测器平面的参考光场与物光场的c通道，n_l,c表示第l帧空时光场c通道记录时的噪声，L表示所述彩色空-时光场的总帧数。

7.如权利要求4所述的多维空-时光场压缩全息加密方法，其特征在于，在所述多维空-时光场为4D空-时光场时，所述全息图表示形式为：

其中，A与E_4d,l分别为第l帧空-时光场传播至探测器平面的参考光场与物光场，L表示所述4D空-时光场的总帧数。

8.一种多维空-时光场压缩全息解密方法，其特征在于，用于对权利要求4-7任一项所述加密方法得到的加密全息图、传播距离与时变复合掩膜，采用TwIST算法重建出原始光场。

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