CN115150521B - 基于三通道超表面的移位加密系统及其设计方法 - Google Patents

基于三通道超表面的移位加密系统及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三通道超表面移位加密系统及其设计方法，配合不同纳米砖的结构色以及不同起检偏器组合下的强度调制，能够用一个超表面器件实现三幅二值图像显示，三幅二值图像通过移组合能够组成三幅八台阶灰度图，将其输入到特定的解码装置能够得到隐藏信息，从而实现高安全性的三通道超表面移位加密系统。

Description

基于三通道超表面的移位加密系统及其设计方法
技术领域
本发明涉及微纳光学技术领域，具体涉及一种基于三通道超表面移位加密系统及其设计方法。
背景技术
随着科技的发展，信息安全已成为人们普遍的诉求。超表面具有强大的光波操控能力且体积小重量轻，从而在信息加密方面发挥着巨大作用。然而现在的超表面加密系统工作通道单一，信息容量低，加密元件单一，且多数是基于对超表面的直接观测来解码信息，其安全性与可靠性都有待提升。针对上述问题，本发明采用设计出三通道超表面，能够在百微米级尺寸上设计出三个二值图像。通过结合模拟退火算法，对每个二值图像进行优化，使其三种位数排列组合均能被空间光调制器解码出图案，这种非直接观测式的解码方法具有高安全性的特点。此外，三幅图像的同或操作能够解码出防伪标签，有效保证了信息的可靠性。
发明内容
为了显著提高信息安全性和可靠性，本发明设计提供一种能够在不同入射条件下显示三幅二值图像的超表面材料。且利用模拟退火算法优化，三幅二值图像的同或操作能够得到防伪标签，用于验证信息真实性。对三幅二值图像进行三比特移位操作，并借助空间光调制器可以得到隐藏在频域中的真正图像。本发明首次利用三比特二进制数的移位操作实现了非直接观测式图像加密。本发明可广泛应用于信息加密、信息存储、信息防伪等领域。
本发明的目的之一在于提供一种基于三通道超表面的移位加密系统。结合马吕斯定律以及光谱光学及其设计方法，所设计得到的三通道超表面能够在三种入射条件下观察到三幅不同的二值图像，且图像面积是百微米量级，具有高安全性、高信息密度的特点。此外，利用模拟退火算法优化，三幅图像的不同组合能够解码出不同信息。
为实现上述目的，本发明提供的的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种基于三通道超表面的移位加密系统的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：优化具有起偏器特性的纳米砖单元结构：确定工作波长λ，通过电磁仿真软件优化两种不同大小纳米砖单元结构即纳米砖a和纳米砖b的尺寸参数，优化具有起偏器特性的纳米砖单元结构，使得在同一工作波长下的线偏光正入射至所述纳米砖单元结构时，对两种不同大小的砖而言，沿长轴偏振的分量全部反射，沿短轴偏振的分量全部透射；所述纳米砖单元结构由基底和刻蚀在所述基底上的纳米砖构成；所述纳米砖单元结构的尺寸参数包括纳米砖的长度L、宽度W、高度H、单元结构中心间隔C；
S2：选定三幅二值图像IA，IB，IC的灰度分布；通过模拟退火算法优化，使其具有以下特点：1)三幅二值图像的同或操作能够得到二值图像ID，ID为真实信息的防伪标签；2) 对IA，IB，IC分别赋予三比特二进制数的不同位，从而得到三幅八台阶灰度图：
IE1＝22·IA+21·IB+20·IC (1)；
IE2＝22·IB+21·IC+20·IA (2)；
IE3＝22·IC+21·IA+20·IB (3)；
而将这三幅图输入到特定空间光调制器SLM才能得到真实信息，即：
将IE1，IE2，IE3输入到空间光调制器，即可得到全息图IF1，IF2，IF3；通过以上设计方法，该加密系统能够以极高安全性与可靠性实现图像编码；
S3：设计纳米砖转角排布：根据步骤S1可知，两种不同大小的纳米砖a和纳米砖b在工作波长为λ均等效为一个起偏器；将工作波长设置为λ，根据入射线偏光依次经过纳米单元结构和检偏器后的出射光强公式：
设置两种起偏器、检偏器的转角组合；当起偏器转角/2，检偏器转角为0时，出射光的光强表达式为：IA＝I0sin22θ；当起偏器转角为-/8，检偏器转角为3π/8时，出射光的光强表达式为：当纳米砖转角为1π/16时，IA，IB的灰度分别近似等效为0，1；当纳米砖转角为3π/16时，IA，IB的灰度分别近似等效为1，1；当纳米砖的转角为5π/16时，IA，IB的灰度分别近似等效为1，0；当纳米砖转角为7π/16时， IA，IB的灰度分别近似等效为0，0；这样，对每个纳米砖而言，都有4个转角选择以满足两幅二值图像IA，IB的所有灰度组合(4＝22)，即通过合理地选择纳米砖的转角，能在上述二种入射条件下观察到二幅不同的二值图像；
S4：设计纳米砖大小排布：由于两种不同大小的纳米砖具有不同的光谱响应，因此当自然光正入射时会呈现出不同的颜色；根据二值图像IC的灰度分布决定纳米砖的大小排布，当IC的像素点灰度为1时选定纳米砖a，当IC的像素点灰度为0时选定纳米砖b。
作为优选方案，所述步骤S1中，工作波长选用533nm；当工作波长选用533nm时，纳米砖a的长度La为110nm，纳米砖b的长度Lb为220nm，宽度W均为60nm，高度H 为230nm，单元结构中心间隔C均为300nm。
第二方面，本发明提供一种基于三通道超表面的移位加密系统，其特征在于：由上述的设计方法得到，该三通道移位加密系统基于超表面和空间光调制器实现。
作为优选方案，所述超表面的纳米砖材料为Si，基底材料为Al2O3；所述超表面由两种不同大小纳米砖排列构成。
进一步地，所述两种纳米砖均等效为起偏器，且具有不同的光谱响应，白光入射时呈现不同颜色；当线偏光入射时，通过改变起检偏器的转角组合能实现两幅不同的二值图像；当白色非偏振光入射时，能呈现另一幅二值图像。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明设计方法简单，仅需改变纳米砖单元结构的方向角与尺寸，即可实现三通道的二值图像显示。
2、本发明所设计的优化方法极大扩增了系统安全性与容量。在百微米级超表面上实现了三幅全息图像的隐藏，且解密方法独特，需要借助密钥提示并结合空间光调制器解码，具有极高安全性。
3、本发明利用非直接观测式的解码手段，超表面仅能传递秘钥，就要高安全性的特点。
4、本发明编码的防伪标签有效保证了信息的可靠性。
5、空间光调制器的像素大小、工作波长等参数不可避免的影响解码出的信息，因此空间光调制器参数本身也是解码秘钥。
附图说明
图1是本发明中纳米砖单元结构的示意图；
图2是本发明中设计的两种纳米砖单元结构的反射率；
图3是三幅二值图像的仿真同或结果；
图4是三幅图像移位操作得到的八台阶灰度图一；
图5是三幅图像移位操作得到的八台阶灰度图二；
图6是三幅图像移位操作得到的八台阶灰度图三；
图7是以图4作为相位版得到的全息图案；
图8是以图5作为相位版得到的全息图案；
图9是以图6作为相位版得到的全息图案；
图10是本方案信息加密的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细阐述。
实施例1
1、优化设计具有起偏器功能的两种不同大小的纳米砖单元结构。
下面以纳米砖单元结构为长方体为例进行说明。所述纳米砖单元结构的长、宽、高均为亚波长。
如图1所示，建立xyz直角坐标系，纳米砖单元结构的长边方向代表长轴，短边方向代表短轴，Φ为纳米砖单元结构的长轴与x轴之间的夹角，即纳米砖单元结构的方向角(Φ的取值范围为0°～180°)，如图1所示。
选定工作波长533nm，通过电磁仿真软件优化两组纳米砖单元结构的尺寸参数，包括纳米砖单元结构1的高度H、长度L、宽度W和单元结构基底边长C，如图1所示，使得工作波长下的线偏光正入射至所述纳米砖单元结构时，获得沿短轴透过率较高且相等、沿长轴反射率最高且相等的两组尺寸参数，如图2所示，且两组纳米砖的反射光谱不同，因此可以在自然光下呈现不同颜色。
2、优化设计后的纳米砖单元结构其功能可等效为起偏器，可用琼斯矩阵来表示，则当入射光为电场方向沿x轴夹角为α1的偏振光时，经过纳米砖单元结构以及检偏器后的出射光可表示为：
其中，Ain表示入射光的振幅(0<Ain≤1)。出射光光强为：
设置三种起偏器、检偏器的转角组合：(π/2，0)及(-π/8，3π/8)。超表面工作在这个通道下会显示不同强度。当起偏器转角π/2，检偏器转角为0时，出射光的光强表达式为：Ir1＝I0sin22θ；当起偏器转角为-π/8，检偏器转角为3π/8时，出射光的光强表达式为：当纳米砖转角为1π/16时，IA，IB的灰度分别近似等效为 0，1；当纳米砖转角为3π/16时，IA，IB的灰度分别近似等效为1，1；当纳米砖的转角为 5π/16时，IA，IB的灰度分别近似等效为1，0；当纳米砖转角为7π/16时，IA，IB的灰度分别近似等效为0，0。这样，对每个纳米砖而言，都有4个转角选择以满足两幅二值图像IA，IB的所有灰度组合(4＝22)，即通过合理地选择纳米砖的转角，可以在上述二种入射条件下观察到二幅不同的二值图像。
3、选定三幅二值图像IA，IB，IC的灰度分布。通过模拟退火算法优化，使其具有以下特点：1)三幅二值图像的同或操作能够得到二值图像ID，ID为解码真实信息的关键密钥；2)根据ID提示，对IA，IB，IC分别赋予三比特二进制数的不同位，从而得到三幅八台阶灰度图，如图4-6所示。
IE1＝22·IA+21·IB+20·IC；
IE2＝22·IB+21·IC+20·IA；
IE3＝22·IC+21·IA+20·IB；
将IE1，IE2，IE3输入到空间光调制器，即可得到全息图IF1，IF2，IF3：
IF1＝FFT(IE1) (4)；
IF2＝FFT(IE2) (5)；
IF3＝FFT(IE3) (6)；
如图7-9所示。信息编码示意图如图10所示。
4、将优化好的二值图像IA，IB作为目标图像，根据第2步所述转角与强度对应关系设计纳米砖的转角分布。将IC作为目标图像，灰度为1的像素选取纳米砖a，灰度为0的像素选取纳米砖b。从而设计出纳米砖大小及转角分布。

Claims (5)

1.一种基于三通道超表面的移位加密系统的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：优化具有起偏器特性的纳米砖单元结构：确定工作波长λ，通过电磁仿真软件优化两种不同大小纳米砖单元结构即纳米砖a和纳米砖b的尺寸参数，优化具有起偏器特性的纳米砖单元结构，使得在同一工作波长下的线偏光正入射至所述纳米砖单元结构时，对两种不同大小的砖而言，沿长轴偏振的分量全部反射，沿短轴偏振的分量全部透射；所述纳米砖单元结构由基底和刻蚀在所述基底上的纳米砖构成；所述纳米砖单元结构的尺寸参数包括纳米砖的长度L、宽度W、高度H、单元结构中心间隔C；
S2：选定三幅二值图像IA，IB，IC的灰度分布；通过模拟退火算法优化，使其具有以下特点：1)三幅二值图像的同或操作能够得到二值图像ID，ID为真实信息的防伪标签；2)对IA，IB，IC分别赋予三比特二进制数的不同位，从而得到三幅八台阶灰度图：
IE1＝22·IA+21·IB+20·IC (1)；
IE2＝22·IB+21·IC+20·IA (2)；
IE3＝22·IC+21·IA+20·IB (3)；
而将这三幅图输入到特定空间光调制器SLM才能得到真实信息，即：
将IE1，IE2，IE3输入到空间光调制器，即可得到全息图IF1，IF2，IF3；通过以上设计方法，该加密系统能够以极高安全性与可靠性实现图像编码；
S3：设计纳米砖转角排布：根据步骤S1可知，两种不同大小的纳米砖a和纳米砖b在工作波长为λ均等效为一个起偏器；将工作波长设置为λ，根据入射线偏光依次经过纳米单元结构和检偏器后的出射光强公式：
设置两种起偏器、检偏器的转角组合；当起偏器转角π/2，检偏器转角为0时，出射光的光强表达式为：IA＝I0sin22θ；当起偏器转角为-π/8，检偏器转角为3π/8时，出射光的光强表达式为：当纳米砖转角为1π/16时，IA，IB的灰度分别近似等效为0,1；当纳米砖转角为3π/16时，IA，IB的灰度分别近似等效为1，1；当纳米砖的转角为5π/16时，IA，IB的灰度分别近似等效为1，0；当纳米砖转角为7π/16时，IA，IB的灰度分别近似等效为0，0；这样，对每个纳米砖而言，都有4个转角选择以满足两幅二值图像IA，IB的所有灰度组合，4＝22，即通过合理地选择纳米砖的转角，能在上述二种入射条件下观察到二幅不同的二值图像；
S4：设计纳米砖大小排布：由于两种不同大小的纳米砖具有不同的光谱响应，因此当自然光正入射时会呈现出不同的颜色；根据二值图像IC的灰度分布决定纳米砖的大小排布，当IC的像素点灰度为1时选定纳米砖a，当IC的像素点灰度为0时选定纳米砖b。
2.根据权利要求1所述的基于三通道超表面的移位加密系统的设计方法，其特征在于：所述步骤S1中，工作波长选用533nm；当工作波长选用533nm时，纳米砖a的长度La为110nm，纳米砖b的长度Lb为220nm，宽度W均为60nm，高度H为230nm，单元结构中心间隔C均为300nm。
3.一种基于三通道超表面的移位加密系统，其特征在于：由权利要求1或2所述的设计方法得到，该三通道移位加密系统基于超表面和空间光调制器实现。
4.根据权利要求3所述的基于三通道超表面的移位加密系统，其特征在于：所述超表面的纳米砖材料为Si，基底材料为Al2O3；所述超表面由两种不同大小纳米砖排列构成。
5.根据权利要求3或4所述的基于三通道超表面的移位加密系统，其特征在于：
所述两种纳米砖均等效为起偏器，且具有不同的光谱响应，白光入射时呈现不同颜色；当线偏光入射时，通过改变起检偏器的转角组合能实现两幅不同的二值图像；当白色非偏振光入射时，能呈现另一幅二值图像。
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