CN115225770A - 基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法 - Google Patents

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CN115225770A CN202210729591.0A CN202210729591A CN115225770A CN 115225770 A CN115225770 A CN 115225770A CN 202210729591 A CN202210729591 A CN 202210729591A CN 115225770 A CN115225770 A CN 115225770A
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Abstract

本发明公开的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，属于微纳光学、全息复用和光学加密应用技术领域。为了获得再现图像所对应的计算机生成的振幅全息图，本发明使用相位恢复算法来获得物体在全息图上的光场相位分布，再对生成的相位分布进行二值化得到相对应的振幅分布。另外，为了获得单像素成像中目标物体的重建图像，将计算机生成的振幅全息图作为单像素成像系统中的调制掩膜，通过平移迭代的方式产生满足重建条件的掩膜图案，并收集调制后对应光场的总振幅强度，再使用单像素成像算法来获得目标物体的重建图像。并将单像素成像的重建图像作为超颖表面全息术的寻址密匙，以实现具备防伪功能、高安全性和大明文覆盖范围的光学加密。

Description

基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法
技术领域
本发明涉及一种全息加密方法，尤其涉及一种基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，属于微纳光学、全息复用和光学加密应用技术领域。
背景技术
在现代信息时代，信息安全已成为一个极其重要的话题。信息加密与处理引起了人们极大的研究兴趣。在这种情况下，光学加密通过光学变换过程对明文图像的内部信息进行编码。由于对振幅、相位、偏振、轨道角动量等的灵活控制，光学加密具有很强的设计复杂加密系统的能力。由具有特定结构和亚波长特征尺寸的纳米谐振器阵列组成的超颖表面显示出操纵各种自由度以操纵光的潜力，这为光学加密领域打开了一扇新的大门。此外，超颖表面全息术能够通过复用方法在单个超颖表面上编码多幅图像，提高信息容量，进一步实现加密、防伪等应用，具有更高的安全性和保真度。例如，通过调制不同的入射和输出偏振状态，超颖表面能够在不同的偏振通道下实现不同的加密图像。此外，振幅也能够作为全息中一个重要的自由度，特别是简单的二元振幅调制能够实现令人满意的全息再现，这为超颖表面全息加密提供了方向。然而，对于单个超颖表面，由于信息通道的限制，超颖表面全息术只能在光学加密领域实现固定和有限的信息加密。
超颖表面显示出对波前进行任意灵活调制的巨大能力。利用这种优势，它不仅能够实现全息术，还能够应用于单像素成像。本质上，单像素成像类似于一种编码和解码的过程，其重建的图像是通过计算一系列照明模式与相关检测强度之间的相关性来获得的。在这种间接成像过程中，目标图像视为明文，照明模式作为密钥，记录的检测值作为密文。在此基础上，大量基于单像素成像原理的光学加密被广泛研究。然而，单像素加密系统仍然存在许多问题。例如，从图像到单像素检测值的加密过程是一个线性过程，容易被破解。一般来说，振幅全息通过二进制振幅编码，即0和1的二值数字编码，能够产生令人满意的全息再现图像。同时，单像素成像还利用二进制幅度编码作为模式掩模，实现高质量的图像重建。并且，二值振幅全息术中的全息图能够用作单像素成像中的掩模图案，这在单像素成像和全息之间增加了新的联系。因此，超颖表面全息技术与其他技术的结合是实现综合性能良好的加密方法的一种途径。
发明内容
为了解决现有超颖表面全息加密技术中存在的只能实现固定和有限的信息加密的问题，本发明的主要目的是提供一种基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，将设计的振幅全息图作为单像素成像的掩模，通过平移迭代实现单像素成像，进而在单个超颖表面上实现单像素成像和全息显示；并通过将单像素成像传输的图像作为超颖表面全息术的寻址密钥，实现由任意字母与数字组合的明文信息光学加密，不仅能够提高光学加密和防伪的安全级别，而且能够提高明文信息覆盖的容量。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，为了获得再现图像所对应的计算机生成的振幅全息图，首先使用相位恢复算法来获得物体在全息图上的光场相位分布，再对生成的相位分布进行二值化得到相对应的振幅分布。另外，为了获得单像素成像中目标物体的重建图像，将计算机生成的振幅全息图作为单像素成像系统中的调制掩膜，通过平移迭代的方式产生满足重建条件的掩膜图案，并收集调制后对应光场的总振幅强度，再使用单像素成像算法来获得目标物体的重建图像。并将单像素成像的重建图像作为超颖表面全息术的寻址密匙，以实现具备防伪功能、高安全性和大明文覆盖范围的光学加密。
本发明公开的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，包括如下步骤：
步骤一、利用改进的梯度下降算法实现二值振幅恢复，将不同的再现图像分布在空间的不同位置，以生成在全息面上具有不同空间位置的多个图像信息的全息图的振幅分布。将水平位置相邻的再现图像对应的子全息图之间设置重叠区域，实现全息图的空间复用，提高全息图的信息容量。
步骤一具体实现方法包括如下步骤：
步骤1.1：将字母图像和数字图像随机排序，通过字母与数字的组合实现由任意字母与数字组合的光学加密明文信息，提高光学加密明文信息的容量。
步骤1.2：将排序后的图像作为全息再现图像上的空间排列，并设定在水平方向上相邻的再现图像对应的子全息图之间存在重叠区域。通过相邻全息图存在重叠的方式实现空间复用，能够在有限的空间中产生更多的全息再现图像，提高全息信息容量。
步骤1.3：利用梯度下降算法迭代优化与随机排序后再现图像对应的具有重叠区域的相位全息图，当达到预设的循环次数，或满足预设的出口条件时，则停止循环迭代。
步骤1.4：在迭代过程中，
Figure BDA0003712561410000031
为迭代检索后输出的全息面上的相位分布，为了实现振幅全息，将其输出改变成
Figure BDA0003712561410000032
此时的输出为一个实数分布。由于所述实数分布范围很广，在实际中很难实现所述多级振幅调制，则还需要对其进行二值化处理。首先需要将相位信息
Figure BDA0003712561410000033
进行二值化处理，即当
Figure BDA0003712561410000034
时，将
Figure BDA0003712561410000035
设置为0，否则将
Figure BDA0003712561410000036
设置为π/2。由此，输出的不再是全息面上的相位分布，而是一种只包含0和1的二值实数分布，利用上述改进过程能够得到二值振幅的全息图。
为了进一步提高光学加密安全性，作为优选，所述子全息图之间设置重叠区域范围设置为40％至60％。
步骤1.1中，将26个字母图像和10个数字图像随机排序，进一步光学加密明文信息的容量。
步骤二、选取纳米孔阵列作为二值振幅调制超颖表面的结构单元，其中纳米孔阵列结构单元相当于振幅为“1”，其余部分相当于振幅为“0”。根据步骤一得到的全息图上的振幅分布，制作出对应纳米孔阵列分布的超颖表面，以实现照射超颖表面的不同子全息图区域，光学再现出所记录的不同图像。
用于实现单像素成像密匙的全息加密方法的超颖表面由纳米孔阵列构成。所述的纳米孔阵列由周期性排列的纳米孔构成；所述的纳米孔阵列的空间分布与计算得到的全息图的振幅分布相同，纳米孔阵列结构单元相当于振幅为“1”，不存在纳米孔阵列的结构单元相当于振幅为“0”；所述的纳米孔是通过对金膜打孔实现的；所述的不存在纳米孔阵列的结构单元只有一层的不透明的金膜。超颖表面中不透明金膜部分的透射率应尽可能的接近于0，而纳米孔部分的透射率应尽可能的高。
作为优选，利用标准的电子束刻蚀的微纳加工工艺制作出对应纳米孔阵列分布的超颖表面。
步骤三、将设计的振幅全息图作为单像素成像的掩模，通过超颖表面在空间上的移动产生一系列不同的调制图案，即通过平移迭代实现单像素成像。将一幅携带字符串信息的二维码图像作为单像素成像中的原始图像，利用上述产生的调制图案对该原始图像进行调制，通过单像素探测器将调制后的总强度信号进行收集，将该强度信号作为经过加密处理后的密文由公共频道传送出去。
实现单像素成像的关键在于利用空间光调制器生成的掩膜图案对目标物体进行调制，再通过单像素探测器收集强度信号，由掩膜图案与强度信号之间的相关性计算实现图像的重建。
步骤三具体实现方法包括如下步骤：
步骤3.1：根据想要传递的明文信息按照全息图上的空间位置进行编码，生成相应的二维码图像。
步骤3.2：将光束照射到生成的二维码图像上，使光携带上二维码图像的信息。
步骤3.3：将携带二维码图像信息的光束照射到超颖表面的一部分区域进行调制。通过移动超颖表面的方式改变超颖表面的调制区域，生成不同的调制图案对图像进行调制。移动方式为先水平移动超颖表面，每移动一个结构单元的周期距离就能够生成一个新的调制图案。当移动到超颖表面的边缘时，再向上移动一个结构单元的周期距离，再向着之前水平移动的反方向移动超颖表面，以此类推，直至产生满足的调制图案对图像进行调制。在所述过程中，超颖表面经过N(N＝m×n)次移动，得到N个不同的掩膜图案矩阵
Figure BDA0003712561410000041
步骤3.4：利用一个单像素探测器收集经过超颖表面振幅调制后的总强度信号。第k个探测得到的总强度信号是由掩膜图案矩阵
Figure BDA0003712561410000042
和目标图像矩阵Om×n上的像素单元依次积分相乘得到的，即
Figure BDA0003712561410000043
步骤3.5：将该强度信号作为经过加密处理后的密文由公共频道传送出去。
步骤四、根据单像素成像算法对步骤三得到的二维码图像进行重建，即单像素成像将一系列的掩膜图案照明到目标物体的平面，使其光场被调制，再将调制后的光束经过会聚后由一个单像素探测器收集，根据掩膜图案和探测强度的相关性完成二维码图像的重建，得到二维码重建图像。
步骤四具体实现方法包括如下步骤：
步骤4.1：在公共频道中获取传输的强度信号矩阵SN。
步骤4.2：在私密频道中已知超颖表面的振幅分布，并将其按约定的顺序排列成一系列掩膜图案
Figure BDA0003712561410000051
步骤4.3：根据单像素成像原理，所述目标物体O、掩膜图案P和测量信号S之间的关系满足表达式S＝PO，此时目标物体的图像O′可以S通过已知的掩膜图案P和测量信号进行逆矩阵求解得到。通过矩阵的逆运算利用强度信号矩阵SN和一系列掩膜图案
Figure BDA0003712561410000052
求解出一级明文信息Om×n，即根据掩膜图案和探测强度的相关性完成二维码图像的重建，得到二维码重建图像。
步骤五、通过扫描步骤四重建的二维码图像，能够得到其携带的字符串信息，进而在单个超颖表面上实现单像素成像和全息显示。利用单像素成像传输的图像作为超颖表面全息术的寻址密钥，照射超颖表面所对应的区域，得到相应的全息再现图像，按照顺序解码出传递的明文信息，实现由任意字母与数字组合的明文信息光学加密，不仅能够提高光学加密和防伪的安全级别，而且能够提高明文信息覆盖的容量。
步骤五具体实现方法包括如下步骤：
步骤5.1：利用单像素成像传输的图像作为超颖表面全息术的寻址密钥，即扫描重建的二维码图像，得到其携带的字符串信息。
步骤5.2：将携带的字符串信息进行分解，其中两个连续的相邻数字是用于超颖表面全息加密的一组寻址密钥。通过私密通道将接收全息图的重叠效应，即单个小全息图的位置及大小。
步骤5.3：按照字符串中每组密钥的信息按照顺序对超颖表面上的全息图进行寻址，对超颖表面的这些区域进行准确的照明，得到相应的全息再现图像。
步骤5.4：解码出传递的所有全息再现图像，按照顺序排列后得到传递的明文信息。
有益效果：
1、本发明的主要目的是提供一种基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，将设计的振幅全息图作为单像素成像的掩模，通过平移迭代实现单像素成像，进而在单个超颖表面上实现单像素成像和全息显示；并通过将单像素成像传输的图像作为超颖表面全息术的寻址密钥，实现由任意字母与数字组合的明文信息光学加密，不仅能够提高光学加密和防伪的安全级别，而且能够提高明文信息覆盖的容量。
2、本发明公开的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，在相邻的子全息图之间存在重叠区域，从而在有限的空间中能够产生更多的全息再现图像，实现全息的空间复用。利用所述空间复用的特性，能够显著提高全息的信息容量。并由于全息图之间存在重叠区域，需要更精确的照明才能获得清晰的再现图像，从而提高光学加密的安全性。
3、本发明公开的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，利用移动超颖表面的方式产生一系列不同掩膜图案，并且相邻掩膜图案之间存在区域重叠，能够在有限的空间中获取更多的掩膜图案，进一步提高空间的信息容量。
附图说明
图1为本发明的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法流程图；
图2为本发明实施例1中全息复用的流程示意图；
图3为本发明实施例1中单像素掩膜平移复用的流程示意图；
图4为本发明实施例1超颖表面的纳米孔阵列结构的示意图及透射率；
图5为本发明实施例1光学加密具体流程示意图；
图6为本发明实施例1实验结果。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：实现基于单像素成像密匙的全息加密。
如图1所示，本实施例公开的基于大容量空间复用超颖表面的单像素成像方法，具体实现步骤如下：
步骤一、利用改进的梯度下降算法实现二值振幅恢复，将不同的再现图像分布在空间的不同位置，以生成在全息面上具有不同空间位置的多个图像信息的全息图的振幅分布。将水平位置相邻的再现图像对应的子全息图之间设置50％的重叠区域，实现全息图的空间复用，提高全息图的信息容量。
步骤一具体实现方法包括如下步骤：
步骤1.1：将26个字母图像和10个数字图像随机排序成4行9列的形式，通过字母与数字的组合实现由任意字母与数字组合的光学加密明文信息，提高光学加密明文信息的容量。
步骤1.2：将排序后的图像作为全息再现图像上的空间排列，并设定在水平方向上相邻的再现图像对应的子全息图之间存在50％的重叠区域。通过相邻全息图存在重叠的方式实现空间复用，能够在有限的空间中产生更多的全息再现图像，提高全息信息容量。
如图2所示，假设每个全息是一个6×6的像素矩阵，在水平方向上Holo1-1与Holo1-2之间存在3列信息的重叠，为单个全息图容量的50％，但是在垂直方向上，Holo1-1与Holo2-1之间不存在信息的重叠。在这种设置下，整个全息掩膜中的每个小全息图能够包含着不同的再现信息，并由于重叠区域的存在，增大了整个全息掩膜的信息含量。
步骤1.3：利用梯度下降算法迭代优化与随机排序后再现图像对应的具有重叠区域的相位全息图，当达到预设的循环次数，或满足预设的出口条件时，则停止循环迭代。
步骤1.4：在迭代过程中，
Figure BDA0003712561410000071
为迭代检索后输出的全息面上的相位分布，为了实现振幅全息，将其输出改变成
Figure BDA0003712561410000072
此时的输出为一个实数分布。由于所述实数分布范围很广，在实际中很难实现这种多级振幅调制，则还需要对其进行二值化处理。首先需要将相位信息
Figure BDA0003712561410000073
进行二值化处理，即当
Figure BDA0003712561410000074
时，将
Figure BDA0003712561410000075
设置为0，否则将
Figure BDA0003712561410000076
设置为π/2。由此，输出的不再是全息面上的相位分布，而是一种只包含0和1的二值实数分布，利用上述改进过程能够得到二值振幅的全息图。
在全息图的计算过程中，将每个再现图像对应的全息图设置为80×80像素，其像素大小为2.5μm×2.5μm。两个水平相邻的全息图之间有50％的重叠，即前一个全息图水平平移40像素对应下一个全息图。因此，整个全息掩膜的大小应该设置为400×320像素，包含着26个字母和10个数字的信息，其中每个水平方向上存在9个小全息图区域，每个垂直方向上存在4个小全息图区域。由于整个全息图上的二值分布是无序的，因此无法直接从全息图中获得重叠区域的大小。
步骤二、选取纳米孔阵列作为二值振幅调制超颖表面的结构单元，其中纳米孔阵列结构单元相当于振幅为“1”，其余部分相当于振幅为“0”。根据步骤一得到的全息图上的振幅分布，利用标准的电子束刻蚀的微纳加工工艺制作出对应纳米孔阵列分布的超颖表面，以实现照射超颖表面的不同子全息图区域，光学再现出所记录的不同图像。
用于实现单像素成像密匙的全息加密方法的超颖表面由纳米孔阵列构成。所述的纳米孔阵列由5×5的周期性排列的纳米孔构成；所述的纳米孔阵列的空间分布与计算得到的全息图的振幅分布相同，纳米孔阵列结构单元相当于振幅为“1”，不存在纳米孔阵列的结构单元相当于振幅为“0”；所述的纳米孔是通过对金膜打孔实现的；所述的不存在纳米孔阵列的结构单元只有一层的不透明的金膜。超颖表面中不透明金膜部分的透射率应尽可能的接近于0，而纳米孔部分的透射率应尽可能的高。
将超颖表面的单元像素周期设置为2.5μm×2.5μm，其中振幅为1的单元由直径为300nm及周期为500nm×500nm的5×5纳米孔阵列构成，振幅为1的单元仍然是不透明的金膜，如图3所示。为了验证这种结构的振幅调制能力，利用FDTD计算了纳米孔阵列结构单元的透射光谱响应，波长范围设置为400nm～1000nm，其结果如图3，其透射率在整个可见光波段和近红外波段上大部分都能够到达0.1以上，与不透明金膜结构单元之间存在足以区分的振幅能量差，因此能够实现宽带的二值振幅调制功能。此外，由于纳米孔结构是各向同性的，这种超颖表面还能够实现偏振无关成像。
步骤三、将设计的振幅全息图作为单像素成像的掩模，通过超颖表面在空间上的移动产生一系列不同的调制图案，即通过平移迭代实现单像素成像。将一幅携带字符串信息的二维码图像作为单像素成像中的原始图像，利用上述产生的调制图案对该原始图像进行调制，通过单像素探测器将调制后的总强度信号进行收集，将该强度信号作为经过加密处理后的密文由公共频道传送出去。
实现单像素成像的关键在于利用空间光调制器生成的掩膜图案对目标物体进行调制，再通过单像素探测器收集强度信号，由掩膜图案与强度信号之间的相关性计算实现图像的重建。如图4所示，单像素成像所需的掩模能够由从生成的全息图中选择的一小部分产生。为了提高空间信息的利用率，利用平移复用的方法。具体来说，相邻模式之间只有一列或一行不同。通过水平或垂直移动一个像素，可以获得新的掩膜图案。然后，用单像素检测器采集调制后的总强度，并根据单像素成像算法重建目标图像。
如图5所示，步骤三具体实现方法包括如下步骤：
步骤3.1：根据想要传递的明文信息按照全息图上的空间位置进行编码，生成相应的二维码图像。
步骤3.2：将光束照射到生成的二维码图像上，使光携带上二维码图像的信息。
步骤3.3：将携带二维码图像信息的光束通过一个4f系统照射到超颖表面的一部分区域进行调制。通过移动超颖表面的方式改变超颖表面的调制区域，生成不同的调制图案对图像进行调制。移动方式为先水平移动超颖表面，每移动一个结构单元的周期距离就能够生成一个新的调制图案。当移动到超颖表面的边缘时，再向上移动一个结构单元的周期距离，再向着之前水平移动的反方向移动超颖表面，以此类推，直至产生满足的调制图案对图像进行调制。在所述过程中，超颖表面经过N(N＝m×n)次移动，得到N个不同的掩膜图案矩阵
Figure BDA0003712561410000091
步骤3.4：利用一个单像素探测器收集经过超颖表面振幅调制后的总强度信号。第k个探测得到的总强度信号是由掩膜图案矩阵
Figure BDA0003712561410000092
和目标图像矩阵Om×n上的像素单元依次积分相乘得到的，即
Figure BDA0003712561410000093
步骤3.5：将该强度信号作为经过加密处理后的密文由公共频道传送出去。
步骤四、根据单像素成像算法对步骤三得到的二维码图像进行重建，即单像素成像将一系列的掩膜图案照明到目标物体的平面，使其光场被调制，再将调制后的光束经过会聚后由一个单像素探测器收集，根据掩膜图案和探测强度的相关性完成二维码图像的重建，得到二维码重建图像。
步骤四具体实现方法包括如下步骤：
步骤4.1：在公共频道中获取传输的强度信号矩阵SN。
步骤4.2：在私密频道中已知超颖表面的振幅分布，并将其按约定的顺序排列成一系列掩膜图案
Figure BDA0003712561410000094
步骤4.3：根据单像素成像原理，所述目标物体O、掩膜图案P和测量信号S之间的关系满足表达式S＝PO，此时目标物体的图像O′可以S通过已知的掩膜图案P和测量信号进行逆矩阵求解得到。通过矩阵的逆运算利用强度信号矩阵SN和一系列掩膜图案
Figure BDA0003712561410000101
求解出一级明文信息Om×n，即根据掩膜图案和探测强度的相关性完成二维码图像的重建，得到二维码重建图像。对获得的二维码图像进行扫描，若能够得到相应的字符串信息，表示防伪过程完成并可进行下一步的解密。
步骤五、通过扫描步骤四重建的二维码图像，能够得到其携带的字符串信息，进而在单个超颖表面上实现单像素成像和全息显示。利用单像素成像传输的图像作为超颖表面全息术的寻址密钥，照射超颖表面所对应的区域，得到相应的全息再现图像，按照顺序解码出传递的明文信息，实现由任意字母与数字组合的明文信息光学加密，不仅能够提高光学加密和防伪的安全级别，而且能够提高明文信息覆盖的容量。
如图5所示，步骤五具体实现方法包括如下步骤：
步骤5.1：利用单像素成像传输的图像作为超颖表面全息术的寻址密钥，即扫描重建的二维码图像，得到其携带的字符串信息“35281226”。
步骤5.2：将携带的字符串信息进行分解，其中两个连续的相邻数字是用于超颖表面全息加密的一组寻址密钥即“35”、“28”、“12”和“26”。。通过私密通道将接收全息图的重叠效应，即单个小全息图的位置及大小，即每个再现图像对应的全息图的大小为200μm×200μm，包含80×80个像素，，且两个水平相邻的全息图之间有50％的重叠。
步骤5.3：按照字符串中每组密钥的信息按照顺序对超颖表面上的全息图进行寻址，对超颖表面的这些区域进行准确的照明，得到相应的全息再现图像，分别为“M”、“E”、“T”、“A”。
步骤5.4：解码出传递的所有全息再现图像，按照顺序排列后得到传递的明文信息，即为“META”。
验证该方案的加密和解密过程，利用接收到的强度信号通过单像素成像算法重建出二维码图像，如图6(a)所示。扫描该二维码，得到其携带的字符串信息“35281226”，将“35”、“28”、“12”和“26”分别寻址超颖表面的位置，通过光束照射特定的区域得到对应的全息再现像，如图6(b)所示。按照顺序将全息再现图像进行排列，得到明文信息“META”。
由此可见，本实施例公开的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，利用改进的梯度下降算法设计具有空间复用的二值振幅全息图，全息图上的不同区域对应着不同的子全息图，且水平方向上相邻的子全息图之间具有50％的空间重叠，从而在有限的空间中能够产生更多的全息再现图像，实现全息的空间复用；将设计的振幅全息图作为单像素成像的掩模，通过平移迭代实现单像素成像，进而在单个超颖表面上实现单像素成像和全息显示；将单像素成像传输的图像作为超颖表面全息术的寻址密钥，实现由任意字母与数字组合的明文信息光学加密，不仅能够提高光学加密和防伪的安全级别，而且能够提高明文信息覆盖的容量。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、利用改进的梯度下降算法实现二值振幅恢复，将不同的再现图像分布在空间的不同位置，以生成在全息面上具有不同空间位置的多个图像信息的全息图的振幅分布；将水平位置相邻的再现图像对应的子全息图之间设置重叠区域，实现全息图的空间复用，提高全息图的信息容量；
步骤二、选取纳米孔阵列作为二值振幅调制超颖表面的结构单元，其中纳米孔阵列结构单元相当于振幅为“1”，其余部分相当于振幅为“0”；根据步骤一得到的全息图上的振幅分布，制作出对应纳米孔阵列分布的超颖表面，以实现照射超颖表面的不同子全息图区域，光学再现出所记录的不同图像；
步骤三、将设计的振幅全息图作为单像素成像的掩模，通过超颖表面在空间上的移动产生一系列不同的调制图案，即通过平移迭代实现单像素成像；将一幅携带字符串信息的二维码图像作为单像素成像中的原始图像，利用上述产生的调制图案对该原始图像进行调制，通过单像素探测器将调制后的总强度信号进行收集，将该强度信号作为经过加密处理后的密文由公共频道传送出去；
实现单像素成像的关键在于利用空间光调制器生成的掩膜图案对目标物体进行调制，再通过单像素探测器收集强度信号，由掩膜图案与强度信号之间的相关性计算实现图像的重建；
步骤四、根据单像素成像算法对步骤三得到的二维码图像进行重建，即单像素成像将一系列的掩膜图案照明到目标物体的平面，使其光场被调制，再将调制后的光束经过会聚后由一个单像素探测器收集，根据掩膜图案和探测强度的相关性完成二维码图像的重建，得到二维码重建图像；
步骤五、通过扫描步骤四重建的二维码图像，能够得到其携带的字符串信息，进而在单个超颖表面上实现单像素成像和全息显示；利用单像素成像传输的图像作为超颖表面全息术的寻址密钥，照射超颖表面所对应的区域，得到相应的全息再现图像，按照顺序解码出传递的明文信息，实现由任意字母与数字组合的明文信息光学加密，不仅能够提高光学加密和防伪的安全级别，而且能够提高明文信息覆盖的容量。
2.如权利要求1所述的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，其特征在于：步骤一具体实现方法包括如下步骤，
步骤1.1：将字母图像和数字图像随机排序，通过字母与数字的组合实现由任意字母与数字组合的光学加密明文信息，提高光学加密明文信息的容量；
步骤1.2：将排序后的图像作为全息再现图像上的空间排列，并设定在水平方向上相邻的再现图像对应的子全息图之间存在重叠区域；通过相邻全息图存在重叠的方式实现空间复用，能够在有限的空间中产生更多的全息再现图像，提高全息信息容量；
步骤1.3：利用梯度下降算法迭代优化与随机排序后再现图像对应的具有重叠区域的相位全息图，当达到预设的循环次数，或满足预设的出口条件时，则停止循环迭代；
步骤1.4：在迭代过程中，
Figure FDA0003712561400000021
为迭代检索后输出的全息面上的相位分布，为了实现振幅全息，将其输出改变成
Figure FDA0003712561400000022
此时的输出为一个实数分布；由于所述实数分布范围很广，在实际中很难实现所述多级振幅调制，则还需要对其进行二值化处理；首先需要将相位信息
Figure FDA0003712561400000023
进行二值化处理，即当
Figure FDA0003712561400000024
时，将
Figure FDA0003712561400000025
设置为0，否则将
Figure FDA0003712561400000026
设置为π/2；由此，输出的不再是全息面上的相位分布，而是一种只包含0和1的二值实数分布，利用上述改进过程能够得到二值振幅的全息图。
3.如权利要求2所述的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，其特征在于：用于实现单像素成像密匙的全息加密方法的超颖表面由纳米孔阵列构成；所述的纳米孔阵列由周期性排列的纳米孔构成；所述的纳米孔阵列的空间分布与计算得到的全息图的振幅分布相同，纳米孔阵列结构单元相当于振幅为“1”，不存在纳米孔阵列的结构单元相当于振幅为“0”；所述的纳米孔是通过对金膜打孔实现的；所述的不存在纳米孔阵列的结构单元只有一层的不透明的金膜；超颖表面中不透明金膜部分的透射率应尽可能的接近于0，而纳米孔部分的透射率应尽可能的高。
4.如权利要求3所述的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，其特征在于：步骤三具体实现方法包括如下步骤，
步骤3.1：根据想要传递的明文信息按照全息图上的空间位置进行编码，生成相应的二维码图像；
步骤3.2：将光束照射到生成的二维码图像上，使光携带上二维码图像的信息；
步骤3.3：将携带二维码图像信息的光束照射到超颖表面的一部分区域进行调制；通过移动超颖表面的方式改变超颖表面的调制区域，生成不同的调制图案对图像进行调制；移动方式为先水平移动超颖表面，每移动一个结构单元的周期距离就能够生成一个新的调制图案；当移动到超颖表面的边缘时，再向上移动一个结构单元的周期距离，再向着之前水平移动的反方向移动超颖表面，以此类推，直至产生满足的调制图案对图像进行调制；在所述过程中，超颖表面经过N(N＝m×n)次移动，得到N个不同的掩膜图案矩阵
Figure FDA0003712561400000031
步骤3.4：利用一个单像素探测器收集经过超颖表面振幅调制后的总强度信号；第k个探测得到的总强度信号是由掩膜图案矩阵
Figure FDA0003712561400000032
和目标图像矩阵Om×n上的像素单元依次积分相乘得到的，即
Figure FDA0003712561400000033
步骤3.5：将该强度信号作为经过加密处理后的密文由公共频道传送出去。
5.如权利要求4所述的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，其特征在于：步骤四具体实现方法包括如下步骤，
步骤4.1：在公共频道中获取传输的强度信号矩阵SN；
步骤4.2：在私密频道中已知超颖表面的振幅分布，并将其按约定的顺序排列成一系列掩膜图案
Figure FDA0003712561400000034
步骤4.3：根据单像素成像原理，所述目标物体O、掩膜图案P和测量信号S之间的关系满足表达式S＝PO，此时目标物体的图像O′可以S通过已知的掩膜图案P和测量信号进行逆矩阵求解得到；通过矩阵的逆运算利用强度信号矩阵SN和一系列掩膜图案
Figure FDA0003712561400000035
求解出一级明文信息Om×n，即根据掩膜图案和探测强度的相关性完成二维码图像的重建，得到二维码重建图像。
6.如权利要5所述的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，其特征在于：步骤五具体实现方法包括如下步骤，
步骤5.1：利用单像素成像传输的图像作为超颖表面全息术的寻址密钥，即扫描重建的二维码图像，得到其携带的字符串信息；
步骤5.2：将携带的字符串信息进行分解，其中两个连续的相邻数字是用于超颖表面全息加密的一组寻址密钥；通过私密通道将接收全息图的重叠效应，即单个小全息图的位置及大小；
步骤5.3：按照字符串中每组密钥的信息按照顺序对超颖表面上的全息图进行寻址，对超颖表面的这些区域进行准确的照明，得到相应的全息再现图像；
步骤5.4：解码出传递的所有全息再现图像，按照顺序排列后得到传递的明文信息。
7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，其特征在于：为了进一步提高光学加密安全性，所述子全息图之间设置重叠区域范围设置为40％至60％。
8.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，其特征在于：步骤1.1中，将26个字母图像和10个数字图像随机排序，进一步光学加密明文信息的容量。
9.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，其特征在于：利用标准的电子束刻蚀的微纳加工工艺制作出对应纳米孔阵列分布的超颖表面。
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