CN114759985A - 一种基于超表面的光学加密系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超表面的光学加密系统及方法，属于微纳光学与信息加密领域。本发明的实现方法如下：用于实现光学信息加密的超表面是由具有圆形截面的不同几何尺寸的纳米柱阵列构成，通过改变纳米柱单元的几何尺寸，使得超表面对入射光学图像傅里叶频谱的幅度及相位进行任意调制。本发明利用光学4f系统搭建用于基于超表面的图像光学加密系统，对应地，本发明还公开了一种基于超表面的光学加密方法实验装置。本发明公开的基于超表面的光学加密方法采用光学方法实现图像的加密，极大地减少了数值变换的计算量，满足图像处理的实时性要求，具有快速、大容量与低功耗的优势。
Description
技术领域
本发明涉及信息加密技术领域，尤其涉及一种基于超表面的光学加密系统及方法。
背景技术
超表面是超薄的超材料，是由亚波长尺度的金属或介质谐振器组成的二维人工纳米结构，具有以特定顺序排列的电磁响应。通过对纳米天线阵列进行优化设计，超表面上的每个像素单元都能够在两介质的分界面处引入相位突变，使得入射电磁波被施加上任意的相位分布，基于此已经衍生出超透镜、全息图等众多具有实际研究意义的实验成果。与由金属纳米柱组成的具有巨大欧姆损耗的超表面不同，电介质超表面支持更广泛的光谱响应，在可见光谱中具有高衍射效率和低串扰，已被用于实现相位编码信息认证、偏振复用加密、偏振和波长多通道元表面以构建复用目标信息。
超表面可实现对电磁波偏振、幅度、相位、极化方式、传播模式等特性进行有效调制，其紧凑性和多功能性使其成为信息编码和光学加密的完美候选者。基于超原子和全局序列的精心结构设计，可以实现同质环绕非同质超表面，这些超表面具有处理电磁波的卓越能力，是实现超紧凑和高效电磁器件的理想候选，可用于下一代集成光学应用。
信息安全是日常生活中从民用到军用的一个重要问题，信息的加密与防伪技术作为当下信息安全领域的重要内容，其中包括的光学信息安全技术也随之得到越来越广泛的应用。光学信息安全技术有着高维度加密、高并行处理速度以及能快速实现卷积和相关运算等特点，因此，在信息安全技术发展方向，光学信息安全技术的技术优势越来越明显。在光学加密系统中，可以通过控制光的多自由度来设计系统的加密密钥，对系统进行多维编码，达到加密系统的高安全性的要求。由于光学加密能够提供许多自由度来编码信息，如频率、幅度、相位和偏振等，因此用于信息安全的光学加密获得了巨大的关注。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于超表面的光学加密系统及方法，其基于激光照射信息平面后的特性，在傅里叶频域进行光学加密，提升了数据传输的安全性，具有加密效率高和大容量的优点。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于超表面的光学加密系统，包括激光器和超表面，所述超表面由若干个纳米柱结构单元构成，所述若干个纳米柱结构单元呈周期性阵列排布，所述若干个纳米柱结构单元为圆形截面且几何尺寸不同；所述纳米柱结构单元包括基底和设置在所述基底的工作面上的纳米柱。
进一步的，所述超表面的基底采用的材料是二氧化硅，所述基底工作面上的纳米柱采用硅材料制成；其中，纳米柱单元的半径为80nm—150nm，高度为100nm—150nm，周期为200nm—450nm。
进一步的，所述若干个纳米柱结构单元的几何尺寸包括纳米柱的半径、高度以及超表面单元的周期。
进一步的，所述激光器为发射波长范围为430nm-2400nm的超连续谱可调谐激光器，或者是发射特定激光波长为632.8nm的He-Ne激光器。
本发明还提供一种基于超表面的光学加密方法，包括：
激光器发射的激光经过光场图像后，通过一个光学4f系统，由物镜聚焦到超表面上，将超表面信息加密到光学图像的频域信息中，再经另一物镜出射，使用傅里叶透镜将密文图像还原到空间频域，通过分束镜将携带密文图像的光束分为两路进行成像，分别是密文图像与其傅里叶面的成像；
所述超表面为具有圆形截面的纳米柱单元周期性阵列构成，通过改变纳米柱单元的几何尺寸，使得超表面对入射光的幅度和相位进行任意调制；
通过对超表面在光学图像的频域中所在位置的选择，实现八个不同信息通道的图像信息复用加密。
进一步的，将所述超表面用于幅度调制时，根据透射率大小的差异将所用超表面区域划分为调制区与非调制区；所述调制区即组成明文信息的区域，其透射率低，将超表面上的明文信息加载到光学图像的傅里叶平面上，携带明文信息的光束经过分束镜后分为两路进行成像，分别对应调制后的密文图像及其傅里叶面，并使用CCD技术记录所得图像。
进一步的，将所述超表面用于相位调制时，为减小对幅度的影响，组成超表面的纳米柱保持相同的几何尺寸，将由超表面组成的明文信息加载到光学图像的傅里叶平面上，携带明文信息的光束经过分束镜后分为两路进行成像，分别对应调制后的密文图像及其傅里叶面，并使用CCD技术记录所得图像。
进一步的，将所述超表面用于相位调制时，改变作为明文信息的超表面在光学图像的傅里叶平面中所处的位置，实现任意位置的相位调制，即实现八个不同信息通道的复用，并使用CCD技术记录所得图像。
进一步的，所述超表面用于幅度调制时，明文信息隐匿于光学图像的傅里叶信息平面中，仅从密文图像的表面无法获取明文信息，利用数值计算软件对已调制的密文图像作傅里叶变换，即得到所隐藏的明文信息。
进一步的，所述超表面用于相位调制时，明文信息隐匿于光学图像的傅里叶信息平面中，通过数值计算软件对未调制的光学图像和已调制的密文图像提取相位数据，得到两幅图像之间的相位差，即得到所隐藏的明文信息。
本发明的有益效果是：
1.本发明公开的基于超表面的光学加密方法，用于实现光学信息加密的超表面是由具有圆形截面的纳米柱周期性阵列构成，通过改变纳米柱单元的几何尺寸，使超表面对入射光束的幅度和相位进行任意调制。
2.本发明公开的基于超表面的光学加密方法，将超表面作为明文信息加载于光学图像的频域信息中，其优势在于设计自由度高、大容量、低功耗等。
3.本发明公开的基于超表面的光学加密方法，用于幅度调制时，要求破译者对所得密文图像作进一步处理，才能成功获取明文信息。
4.本发明公开的基于超表面的光学加密方法，用于相位调制时，要求破译者同时得到原光学图像和经超表面调制后的密文图像，采取正确的解密方式，才能成功获取明文信息。
5.本发明公开的基于超表面的光学加密方法，由超表面组成的明文信息可灵活设计为不同的图案，使用不同的图案表征不同的信息含义，由此可以导出一套明文查询表，提高了该方法的信息容量，可应用于更多信息存储、光学防伪和光学加密等应用场合，具有广阔的应用前景。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明中基于超表面的光学加密方法的整体流程图；
图2是本发明提供的一种基于超表面的光学加密方法的加密装置结构示意图；
图3为本发明提供的一种基于超表面的光学加密方法中采用的纳米柱超表面的结构示意图；
图4为本发明一种基于超表面的光学加密方法中用于幅度调制的超表面的调制效果示意图，其中，图4a为未经调制的光学图像；图4b为调制后的密文图像；图4c为加载于光学图像频域中的明文信息；
图5为本发明一种基于超表面的光学加密方法中用于相位调制的超表面的调制效果示意图，其中，位于中心的图像为未经调制的光学图像，环绕其四周的图像分别是改变明文信息的位置，得到的调制后的相位差信息。
具体实施方式
超表面材料作为一种新兴的人工光学材料，可以通过调节其几何结构，实现对入射光波幅度、相位、偏振态等光学性质的灵活调节。超表面优越的光学性能受到越来越多的关注，表面的微小周期性结构将会改变物体表面的等效折射率，从而实现对光波参数的精细操控。经过设计后的超表面可以在实现传统光学器件基础功能的基础上，实现高集成度、高效率等传统光学器件不具备的技术优点。
如图1所示，一种基于超表面的光学加密系统，包括激光器和超表面，超表面由若干个纳米柱结构单元构成，若干个纳米柱结构单元呈周期性阵列排布，若干个纳米柱结构单元为圆形截面且几何尺寸不同；纳米柱结构单元包括基底和设置在基底的工作面上的纳米柱。
本实施例中，超表面的基底采用的材料是二氧化硅，基底工作面上的纳米柱采用硅材料制成；其中，纳米柱单元的半径为80nm—150nm，高度为100nm—150nm，周期为200nm—450nm。
本实施例中，若干个纳米柱结构单元的几何尺寸包括纳米柱的半径、高度以及超表面单元的周期。
本实施例中，激光器为发射波长范围为430nm-2400nm的超连续谱可调谐激光器，或者是发射特定激光波长为632.8nm的He-Ne激光器。利用He-Ne激光器发射的激光是纯净的单色光，线宽极窄，波长误差只有几纳米，具有极大的相干长度。
本发明还提供一种基于超表面的光学加密方法，包括：
激光器发射的激光经过光场图像后，通过一个光学4f系统，由物镜聚焦到超表面上，将超表面信息加密到光学图像的频域信息中，再经另一物镜出射，使用傅里叶透镜将密文图像还原到空间频域，通过分束镜将携带密文图像的光束分为两路进行成像，分别是密文图像与其傅里叶面的成像；
所述超表面为具有圆形截面的纳米柱单元周期性阵列构成，通过改变纳米柱单元的几何尺寸，使得超表面对入射光的幅度和相位进行任意调制；
通过对超表面在光学图像的频域中所在位置的选择，实现八个不同信息通道的图像信息复用加密。
本实施例中，将超表面用于幅度调制时，根据透射率大小的差异将所用超表面区域划分为调制区与非调制区；所述调制区即组成明文信息的区域，其透射率低，将超表面上的明文信息加载到光学图像的傅里叶平面上，携带明文信息的光束经过分束镜后分为两路进行成像，分别对应调制后的密文图像及其傅里叶面，并使用CCD技术记录所得图像。
本实施例中，将超表面用于相位调制时，为减小对幅度的影响，组成超表面的纳米柱保持相同的几何尺寸，将由超表面组成的明文信息加载到光学图像的傅里叶平面上，携带明文信息的光束经过分束镜后分为两路进行成像，分别对应调制后的密文图像及其傅里叶面，并使用CCD技术记录所得图像。
本实施例中，超表面用于相位调制时，改变作为明文信息的超表面在光学图像的傅里叶平面中所处的位置，实现任意位置的相位调制，即实现八个不同信息通道的复用，并使用CCD技术记录所得图像。
本实施例中，超表面用于幅度调制时，明文信息隐匿于光学图像的傅里叶信息平面中，仅从密文图像的表面无法获取明文信息，利用数值计算软件对已调制的密文图像作傅里叶变换，即得到所隐藏的明文信息。
本实施例中，超表面用于相位调制时，明文信息隐匿于光学图像的傅里叶信息平面中，通过数值计算软件对未调制的光学图像和已调制的密文图像提取相位数据，得到两幅图像之间的相位差，即得到所隐藏的明文信息。
另外，当将所述基于超表面的光学加密方法应用于光学防伪和光学加密应用场合时，明文信息可以在光学图像的傅里叶平面中任意位置隐藏，对入射光束的幅度和相位进行任意调制，只有得到经过调制后的密文图像，对于相位调制更是要原光学图像与经超表面调制后的密文图像兼得，再使用正确的数据处理方式才能得到正确的明文信息。所提供的方法使得光学加密的容量及安全性得到明显的提高。
以下结合附图说明本发明的原理：
本发明中基于超表面的光学加密方法的整体流程图如图1所示。首先，设计纳米柱单元几何尺寸，使纳米柱能够对出射光束的幅度和相位进行任意的调制。其次，根据仿真计算得出的数据，包括纳米柱单元的半径、周期等，制备超表面。最后，利用超表面分别进行幅度调制和相位调制的光学实验，得到不同的调制效果。
本发明光学加密装置结构示意图如图2所示，图中标记说明：1、光学图像；2、第一傅里叶透镜；3、第二傅里叶透镜；4、物镜；5、超表面；6、物镜；7、第三傅里叶透镜；8、分束镜；9、第一CCD；10、第四傅里叶透镜；11、第二CCD。该光学加密装置中光学加密模块利用显微物镜将携带载体光学图像的光束聚焦于超表面之上，再接收通过超表面的输出光束，同时使加载明文信息的傅里叶面与显微物镜的后焦面重合，将透镜放在显微物镜的后焦面处，得到密文图像的频域成像；利用分束镜扩束，将另一透镜放置在分束镜之后，基于光学4f系统的原理，得到密文图像的再现，再现密文图像与其傅里叶面的成像能够完全被CCD接收。
本发明所实现的光学加密方法采用的超表面结构示意图如图3所示。不同颜色的纳米柱在几何尺寸和透射率上表现差异，对于光学图像的调制效果也有所不同。
本实施例公开的基于超表面的光学加密方法，具体实现方法如下：图4为本发明利用超表面实现的幅度调制效果图。利用一定几何尺寸下的超表面对输入光束进行幅度调制，将超表面上的明文信息加载到载体光学图像的频域中。采用上述技术方案，本发明通过将明文信息投射到光学图像的频域信息平面上，再用CCD记录密文图像，需要通过数值计算软件对得到的密文图像进行频谱分析，才能正确获取其中的明文信息，使得信息能够实现较好的数据隐藏。
在上述基础上，改变构成超表面的纳米柱单元结构的几何尺寸以及超表面加载在光学图像频域中的位置。图5为本发明实现的利用超表面进行相位调制的效果图。超表面对输入光束进行相位调制，将超表面上的信息加载到光学图像的频域中。
具体的，本发明要破解其中的加密数据，在幅度调制中，只需得到调制后的密文图像，对其进行傅里叶变换即可得到明文信息；在相位调制中，须要同时得到未调制的光学图像与已调制的密文图像，并对两幅图像提取相位数据后相减，得到相位差数据，即为超表面隐藏于光学图像频域中的明文信息。基于相位分布的随机特性，利用两幅图像之间的相位差进行光学加密，提升了数据传输的安全性，扩展了信息隐藏的通道数量，具有加密效率高、被破解难度高和信息容量大且可扩展的优点。
综上所述，上述光学加密方法及其对应的解密方法，首先将载体光学图像放置在光学4f系统的输入平面，光束经过超表面时，将明文信息携带于载体光学图像的频域信息中，即记录下该加密系统的需加密的信息。解密时，利用数值计算软件提取密文图像或光学图像和密文图像的频谱信息，提高了加密的安全性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于超表面的光学加密系统，其特征在于，包括激光器和超表面，所述超表面由若干个纳米柱结构单元构成，所述若干个纳米柱结构单元呈周期性阵列排布，所述若干个纳米柱结构单元为圆形截面且几何尺寸不同；所述纳米柱结构单元包括基底和设置在所述基底的工作面上的纳米柱。
2.如权利要求1所述的一种基于超表面的光学加密系统，其特征在于：所述超表面的基底采用的材料是二氧化硅，所述基底工作面上的纳米柱采用硅材料制成；其中，纳米柱单元的半径为80nm—150nm，高度为100nm—150nm，周期为200nm—450nm。
3.如权利要求1所述的一种基于超表面的光学加密系统，其特征在于：所述若干个纳米柱结构单元的几何尺寸包括纳米柱的半径、高度以及超表面单元的周期。
4.如权利要求1所述的一种基于超表面的光学加密系统，其特征在于：所述激光器为发射波长范围为430nm-2400nm的超连续谱可调谐激光器，或者是发射特定激光波长为632.8nm的He-Ne激光器。
5.一种基于超表面的光学加密方法，其特征在于，包括：
激光器发射的激光经过光场图像后，通过一个光学4f系统，由物镜聚焦到超表面上，将超表面信息加密到光学图像的频域信息中，再经另一物镜出射，使用傅里叶透镜将密文图像还原到空间频域，通过分束镜将携带密文图像的光束分为两路进行成像，分别是密文图像与其傅里叶面的成像；
所述超表面为具有圆形截面的纳米柱单元周期性阵列构成，通过改变纳米柱单元的几何尺寸，使得超表面对入射光的幅度和相位进行任意调制；
通过对超表面在光学图像的频域中所在位置的选择，实现八个不同信息通道的图像信息复用加密。
6.如权利要求5所述的一种基于超表面的光学加密方法，其特征在于：将所述超表面用于幅度调制，根据透射率大小的差异将所用超表面区域划分为调制区与非调制区；所述调制区即组成明文信息的区域，其透射率低，将超表面上的明文信息加载到光学图像的傅里叶平面上，携带明文信息的光束经过分束镜后分为两路进行成像，分别对应调制后的密文图像及其傅里叶面，并使用CCD技术记录所得图像。
7.如权利要求5所述的一种基于超表面的光学加密方法，其特征在于：将所述超表面用于相位调制时，为减小对幅度的影响，组成超表面的纳米柱保持相同的几何尺寸，将由超表面组成的明文信息加载到光学图像的傅里叶平面上，携带明文信息的光束经过分束镜后分为两路进行成像，分别对应调制后的密文图像及其傅里叶面，并使用CCD技术记录所得图像。
8.如权利要求5所述的一种基于超表面的光学加密方法，其特征在于：将所述超表面用于相位调制时，改变作为明文信息的超表面在光学图像的傅里叶平面中所处的位置，实现任意位置的相位调制，即实现八个不同信息通道的复用，并使用CCD技术记录所得图像。
9.如权利要求5所述的一种基于超表面的光学加密方法，其特征在于：所述超表面用于幅度调制时，明文信息隐匿于光学图像的傅里叶信息平面中，仅从密文图像的表面无法获取明文信息，利用数值计算软件对已调制的密文图像作傅里叶变换，即得到所隐藏的明文信息。
10.如权利要求5所述的一种基于超表面的光学加密方法，其特征在于：所述超表面用于相位调制时，明文信息隐匿于光学图像的傅里叶信息平面中，通过数值计算软件对未调制的光学图像和已调制的密文图像提取相位数据，得到两幅图像之间的相位差，即得到所隐藏的明文信息。
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