CN115524874A - 一种光学加密结构、光学加密方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光学加密结构、光学加密方法及装置，其中，该结构包括：光学加密超表面；光学加密超表面包括多个周期排列的目标纳米结构，目标纳米结构对波长敏感；光学加密超表面对第一特性的光束的相位分布为预设的第一目标相位分布；第一特性包括第一解密波长，第一目标相位分布为基于待加密的第一目标图案的光强分布转换得到的相位分布。通过本发明实施例提供的光学加密结构、光学加密方法及装置，利用对波长敏感的目标纳米结构构建光学加密超表面，只有使用具有第一特性的光束照射光学加密超表面，才可以还原得到原始的第一目标图案。光学加密超表面具有轻、薄的特点，只采用少量材料且占用极小体积即可加密和记录大量信息。
Description
技术领域
本发明涉及光学加密技术领域，具体而言，涉及一种光学加密结构、光学加密方法及装置。
背景技术
光学加密是一种图像加密方法，一般通过干涉、衍射、成像等光学变换对明文图像的内在信息进行扰乱编码从而实现加密。例如，光学加密的一种实现方式是双随机相位编码，其在明文图案成像中的傅里叶平面添加随机相位进行加密，此后成像可得到密文。而在解密时只有将上述随机相位和密文同时放置在成像系统中方可解密得到明文。在上述过程中，焦距、衍射距离、相位等光学属性将直接影响密文的形式和解密的方式，因此这些光学属性可以作为加密系统的多维密钥。
发明内容
为实现光学加密，本发明实施例提供一种光学加密结构、光学加密方法及装置。
第一方面，本发明实施例提供了一种光学加密结构，包括：光学加密超表面；
所述光学加密超表面包括多个周期排列的目标纳米结构，所述目标纳米结构对波长敏感；
所述光学加密超表面对第一特性的光束的相位分布为预设的第一目标相位分布；所述第一特性包括第一解密波长，所述第一目标相位分布为基于待加密的第一目标图案的光强分布转换得到的相位分布；
所述光学加密超表面能够将射入的第一解密光束转换为所述第一目标图案，所述第一解密光束的特性为所述第一特性。
在一种可能的实现方式中，所述光学加密超表面包括多个独立的子超表面；
所有所述子超表面对所述第一特性的光束的相位分布之和为所述第一目标相位分布，层叠排列且对齐的所有所述子超表面能够形成所述光学加密超表面。
在一种可能的实现方式中，光学加密结构还包括：解密光源；
所述解密光源能够发出所述第一解密光束；
第一子超表面以平行于所述解密光源的形式设置在所述解密光源的出光侧，并与所述解密光源之间的相对位置固定；多个所述子超表面中的至少一个为所述第一子超表面，且所有所述第一子超表面能够互相对齐。
在一种可能的实现方式中，光学加密结构还包括：光电探测器；
第二子超表面以平行于所述光电探测器的形式设置在所述光电探测器的入光侧，并与所述光电探测器之间的相对位置固定；多个所述子超表面中除所述第一子超表面之外的至少一个为所述第二子超表面，且所有所述第二子超表面能够互相对齐。
在一种可能的实现方式中，光学加密结构还包括：第一限位支架和第二限位支架；
所述解密光源和所有的所述第一子超表面设置在所述第一限位支架上；
所述光电探测器和所有的所述第二子超表面设置在所述第二限位支架上。
在一种可能的实现方式中，除所述第一子超表面之外的其他子超表面均为所述第二子超表面；
所述第一限位支架远离所述解密光源的一侧以及所述第二限位支架远离所述光电探测器的一侧设有相对应的防呆结构；所述防呆结构用于对齐所有的子超表面。
在一种可能的实现方式中，所述第一特性还包括第一解密偏振态，所述目标纳米结构还对偏振敏感。
在一种可能的实现方式中，所述光学加密超表面对第二特性的光束的相位分布为预设的第二目标相位分布，所述第二目标相位分布为基于待加密的第二目标图案的光强分布转换得到的相位分布；所述第二特性包括第二解密波长和/或第二解密偏振态；
所述光学加密超表面能够将射入的第二解密光束转换为所述第二目标图案，所述第二解密光束的特性为所述第二特性；所述第一目标图案与所述第二目标图案不同，所述第一特性与所述第二特性不同。
在一种可能的实现方式中，所述第一解密波长与所述第二解密波长不同。
在一种可能的实现方式中，所述第一目标图案为在至少一个方向上双色相间的标识图案；
所述第一目标相位分布为能够将基础图案的光强分布复制为所述第一目标图案的光强分布的相位分布；所述基础图案为能够组成所述第一目标图案的图案单元；
所述第一解密光束的光强分布与所述基础图案的光强分布一致。
第二方面，本发明实施例提供了一种光学加密方法，包括：
获取待加密的第一目标图案；
将所述第一目标图案的光强分布转换为相应的第一目标相位分布；
确定第一特性，所述第一特性包括第一解密波长；
按照所述第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，形成包括多个所述目标纳米结构的光学加密超表面；所述目标纳米结构对波长敏感，且所述光学加密超表面中周期排列的多个目标纳米结构对第一特性的光束的相位分布为所述第一目标相位分布；
其中，所述光学加密超表面能够将射入的第一解密光束转换为所述第一目标图案，所述第一解密光束的特性为所述第一特性。
在一种可能的实现方式中，所述按照所述第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，包括：
确定多个子相位分布，所有所述子相位分布之和为所述第一目标相位分布；
按照每个所述子相位分布分别确定相应的子超表面在每个位置处的目标纳米结构，所述子超表面中周期排列的多个目标纳米结构对第一特性的光束的相位分布为相应的子相位分布。
在一种可能的实现方式中，所述第一特性还包括第一解密偏振态，所述目标纳米结构还对偏振敏感。
在一种可能的实现方式中，所述按照所述第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，包括：
将所述第一目标相位分布分割为多个区域，确定每个区域对应的第一离散相位值；
对多种纳米结构进行分析，确定对所述第一特性的光束的调制相位能够覆盖0至2π的n种目标纳米结构，每种所述目标纳米结构对应不同的调制相位，n大于或等于2；
为每个所述区域配置相应的目标纳米结构，所述区域所配置的目标纳米结构对所述第一特性的光束的调制相位与相应的第一离散相位值相一致。
在一种可能的实现方式中，n大于或等于8。
在一种可能的实现方式中，光学加密方法还包括：
获取待加密的第二目标图案，所述第二目标图案与所述第一目标图案不同；
将所述第二目标图案的光强分布转换为相应的第二目标相位分布；以及
确定第二特性，所述第二特性包括第二解密波长和/或第二解密偏振态，且所述第二特性与所述第一特性不同；
所述按照所述第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，包括：
按照所述第一目标相位分布和所述第二目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构；
所述光学加密超表面中周期排列的多个目标纳米结构对第二特性的光束的相位分布为所述第二目标相位分布；所述光学加密超表面能够将射入的第二解密光束转换为所述第二目标图案，所述第二解密光束的特性为所述第二特性。
在一种可能的实现方式中，所述按照所述第一目标相位分布和所述第二目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，包括：
将所述第一目标相位分布分割为多个区域，确定每个区域对应的第一离散相位值；并且，以相同的分割方式将所述第二目标相位分布分割为多个区域，确定每个区域对应的第二离散相位值；
对多种纳米结构进行分析，确定n种目标纳米结构，所述n种目标纳米结构能够被分为a组，每组包含b种目标纳米结构；每组中的b种目标纳米结构对所述第一特性的光束的调制相位相同，且对所述第二特性的光束的调制相位能够覆盖0至2π；所有组的目标纳米结构对所述第一特性的光束的调制相位能够覆盖0至2π；
为每个所述区域配置相应的目标纳米结构，所述区域所配置的目标纳米结构对所述第一特性的光束的调制相位与相应的第一离散相位值相一致，并且，所述区域所配置的目标纳米结构对所述第二特性的光束的调制相位与相应的第二离散相位值相一致。
在一种可能的实现方式中，a与b相同，且均大于或等于8。
第三方面，本发明实施例还提供了一种光学加密装置，包括：
获取模块，用于获取待加密的第一目标图案；
转换模块，用于将所述第一目标图案的光强分布转换为相应的第一目标相位分布；
确定模块，用于确定第一特性，所述第一特性包括第一解密波长；
设计模块，用于按照所述第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，形成包括多个所述目标纳米结构的光学加密超表面；所述目标纳米结构对波长敏感，且所述光学加密超表面中周期排列的多个目标纳米结构对第一特性的光束的相位分布为所述第一目标相位分布；
其中，所述光学加密超表面能够将射入的第一解密光束转换为所述第一目标图案，所述第一解密光束的特性为所述第一特性。
第四方面，本发明实施例还提供了一种光学加密装置，包括处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的计算机程序，以实现上述提供的任一光学加密方法。
第五方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一项所述的光学加密方法中的步骤。
第六方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括总线、收发器、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述收发器、所述存储器和所述处理器通过所述总线相连，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述任意一项所述的光学加密方法中的步骤。
本发明实施例提供的光学加密结构、光学加密方法及装置，利用对波长敏感的目标纳米结构构建光学加密超表面，且该光学加密超表面对第一特性的光束(例如，波长为第一解密波长的光束)的相位分布与由第一目标图案的光强分布转换得到的相位分布相一致，只有使用具有该第一特性的光束照射光学加密超表面，才可以还原得到原始的第一目标图案；非法者在不知道第一解密波长的情况下，不能直接还原得到第一目标图案，从而实现对第一目标图案的光学加密。并且，光学加密超表面具有轻、薄的特点，只采用少量材料且占用极小体积即可加密和记录大量信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1示出了本发明实施例所提供的光学加密结构的第一结构示意图；
图2示出了本发明实施例所提供的光学加密方法的一种流程图；
图3示出了本发明实施例所提供的光学加密方法的一种过程示意图；
图4示出了本发明实施例所提供的光学加密结构的第二结构示意图；
图5示出了本发明实施例所提供的光学加密结构的第三结构示意图；
图6示出了本发明实施例所提供的光学加密结构的第四结构示意图；
图7示出了本发明实施例所提供的光学加密结构复制得到可译码第一目标图案的过程示意图；
图8示出了本发明实施例所提供的目标图案和目标相位分布示意图；
图9示出了本发明实施例所提供的光学加密结构的工作原理示意图；
图10示出了本发明实施例所提供的纳米结构的结构示意图；
图11示出了本发明实施例所提供的纳米结构的相位与直径之间的关系图；
图12示出了本发明实施例所提供的对目标图案进行加解密的示意图；
图13示出了本发明实施例所提供的一种光学加密装置的结构示意图；
图14示出了本发明实施例所提供的一种用于执行光学加密方法的电子设备的结构示意图。
图标：
1-解密图案、10-光学加密超表面、11-目标纳米结构、12-基底、100-子超表面、20-解密光源、30-光电探测器、40-第一限位支架、50-第二限位支架、41-公头、51-母头。
具体实施方式
现有的光学加密方案(如双随机相位编码)主要基于传统光学系统实现，发明人发现，利用超表面所独有的特性，也可实现光学加密。下面结合本发明实施例中的附图对本发明实施例所提供的光学加密方案进行说明。
本发明实施例提供一种基于超表面的光学加密结构，参见图1所示，该光学加密结构包括：光学加密超表面10；如图1所示，该光学加密超表面10包括多个周期排列的目标纳米结构11，并且，该目标纳米结构11对波长敏感。光学加密超表面10对第一特性的光束的相位分布为预设的第一目标相位分布；第一特性包括第一解密波长，第一目标相位分布为基于待加密的第一目标图案的光强分布转换得到的相位分布；该光学加密超表面10能够将射入的第一解密光束转换为第一目标图案，第一解密光束的特性为第一特性。
本发明实施例中，光学加密超表面10本质上为超表面，其包括多个周期排列的纳米结构，即目标纳米结构11，且该目标纳米结构11设置在基底12上，该基底12可以起到支撑作用。该目标纳米结构11可以是全介质结构单元，其能够调制入射光的相位；例如，该目标纳米结构11在工作波段(例如第一解密波长)透明，可选的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。该目标纳米结构11可以按照正方形或正六边形等周期排列在基底12上，本实施例对此不做详述。
其中，该目标纳米结构11对波长敏感，即，该目标纳米结构11对入射光的调制相位，能够随该入射光波长的变化而变化；例如，该目标纳米结构11对不同波长入射光的调制相位是不同的。光学加密超表面10中，周期排列的每个目标纳米结构11均对应有相应的调制相位，多个目标纳米结构11的调制相位可以形成相应的相位分布，多个目标纳米结构11的相位分布也是该光学加密超表面10的相位分布。由于目标纳米结构11对波长敏感，对于不同波长的入射光，多个目标纳米结构11的相位分布(即光学加密超表面10的相位分布)是不同的。
本发明实施例中，将目标纳米结构11所能够调制的一种波长作为用于实现解密的波长，即第一解密波长，本实施例以λ1表示该第一解密波长。例如，在光学加密超表面10的表面(即多个目标纳米结构11所在的平面)建立二维坐标系，以(x,y)表示目标纳米结构11在该平面处的位置，多个目标纳米结构11对波长为第一解密波长λ1的光束的相位分布可以表示为
该相位分布
也为光学加密超表面10对波长为第一解密波长λ1的光束的相位分布，即上述的第一目标相位分布。
其中，该第一目标相位分布是基于待加密的第一目标图案所确定的。具体地，将待加密的图案作为第一目标图案，并将该第一目标图案的光强分布转换为相应的相位分布，从而可以将能够直接读取的第一目标图案编码(加密)为不能直接观察得到的相位信息。该待加密的图案(如第一目标图案，或者下述的第二目标图案)可以是数字、字母等图案，或者可以对其进行译码的图案，例如条形码、二维码等；例如，该待加密的图案可以是二值化图案。本发明实施例中，可以采用光学全息中的傅里叶变换，基于傅里叶变换将第一目标图案的光强分布转换为频域的相位分布；或者，也可以采用现有的G-S算法(Gerchberg-Saxtonalgorithm)将第一目标图案的光强分布转换为空域的相位分布，本实施例对此不做限定。
相应地，将波长为该第一解密波长λ1的光束作为第一解密光束，以该第一解密光束照射具有上述第一目标相位分布的光学加密超表面10，即可为该第一解密光束叠加该第一目标相位分布，从而生成原光强分布的光，该光强分布与第一目标图案的光强分布相一致，从而可以还原得到该第一目标图案。其中，该第一目标相位分布可以是能够将均匀光束衍射为第一目标图案的光强分布的相位分布，该均匀光束具体可以是均匀的球面波或平面波；相应地，该第一解密光束可以为均匀的球面波或平面波。例如，在利用G-S算法将第一目标图案的光强分布转换为第一目标相位分布的过程中，每次迭代使用的光束为均匀的平面波或球面波。
由于该光学加密超表面10中的目标纳米结构11对波长敏感，即对于不同波长的入射光，光学加密超表面10的相位分布是不同的，只有对波长为第一解密波长λ1的光束，其相位分布才满足
当以波长不是第一解密波长λ1的其他光束照射该光学加密超表面10时，由于对该光束的相位分布不满足
因此不能还原得到原第一目标图案的光强分布，即不能还原得到第一目标图案。因此，该光学加密超表面10虽然包含第一目标图案的相位信息，但只有在以波长为第一解密波长λ1的光束(如第一解密光束)照射该光学加密超表面10时才可以还原得到第一目标图案，该第一解密波长λ1相当于光学加密超表面10的解密密钥，从而可以实现光学加密。若第一目标图案是包含数字“1”的图案，以第一解密光束照射该光学加密超表面10，经过光学加密超表面10的光学衍射作用，可以在其像平面形成相应光强分布的解密图案1(即光学加密超表面10还原得到的图案)，该解密图案1可参见图1所示，其与第一目标图案相一致。
其中，特性指的是光束所具有的性质，其包括光束的波长、偏振态等。本发明实施例中，第一特性至少包括第一解密波长λ1；若该第一特性只包含第一解密波长λ1，则波长为第一解密波长λ1的光束即为第一特性的光束。可选地，该第一特性还可以包括除波长之外的其他特性；例如，第一特性还包括第一解密偏振态，相应地，该目标纳米结构11还对偏振敏感，即目标纳米结构11是偏振相关的，其对不同偏振态的光束具有不同的调制相位。
若第一特性包括第一解密波长λ1和第一解密偏振态，则第一特性的光束指的是波长为第一解密波长λ1且具有第一解密偏振态的光束，光学加密超表面10对波长为第一解密波长且具有第一解密偏振态的光束的相位分布为该第一目标相位分布；相应地，第一解密光束的偏振态为解密偏振态。
本发明实施例中，在第一特性包括第一解密波长λ1和第一解密偏振态的情况下，光束的波长和偏振态均为解密密钥，即只有以波长为第一解密波长λ1、且偏振态为第一解密偏振态的光束照射该光学加密超表面10，才可以还原得到第一目标图案，该光学加密超表面10的加密维度包括波长和偏振态，加密维度更多，更难被破解，安全性更高。
本发明实施例提供的一种光学加密结构，利用对波长敏感的目标纳米结构11构建光学加密超表面10，且该光学加密超表面10对第一特性的光束(例如，波长为第一解密波长λ1的光束)的相位分布与由第一目标图案的光强分布转换得到的相位分布相一致，只有使用具有该第一特性的光束照射光学加密超表面10，才可以还原得到原始的第一目标图案；非法者在不知道第一解密波长λ1的情况下，不能直接还原得到第一目标图案，从而实现对第一目标图案的光学加密。并且，光学加密超表面10具有轻、薄的特点，可以只采用少量材料且占用极小体积即可加密和记录大量信息。
此外，本发明实施例还提供一种光学加密方法，该光学加密方法能够设计得到所需的光学加密超表面10。参见图2所示，该光学加密方法包括以下步骤S201-S204：
步骤S201：获取待加密的第一目标图案。
步骤S202：将第一目标图案的光强分布转换为相应的第一目标相位分布。
步骤S203：确定第一特性，该第一特性包括第一解密波长。
步骤S204：按照第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，形成包括多个目标纳米结构的光学加密超表面；目标纳米结构对波长敏感，且光学加密超表面中周期排列的多个目标纳米结构对第一特性的光束的相位分布为第一目标相位分布。
本发明实施例中，在需要对某待加密图案进行光学加密时，将该待加密图案作为第一目标图案，之后即可利用该第一目标图案的光强分布，转换得到与该第一目标图案对应的相位分布，即第一目标相位分布。之后，按照该第一目标相位分布确定每个位置处所需的、对波长敏感的目标纳米结构11，并周期排列，从而可以形成包含周期排列的多个目标纳米结构11的超表面，该超表面可以作为光学加密超表面10。该光学加密方法的一种过程示意图可参见图3所示。
例如，在确定第一目标相位分布
之后，即可确定每个位置(x,y)处的相位。例如，某位置A处的相位为π/4，则可以确定该位置A处需要对波长为第一解密波长λ1的光束的调制相位为π/4的目标纳米结构11；基于相同的方式可以确定所有位置处需要选用哪个目标纳米结构11，从而可以设计得到所需的光学加密超表面10。该光学加密超表面10能够将射入的第一解密光束转换为第一目标图案。
本领域技术人员可以理解，超表面(如光学加密超表面10)是基于光刻工艺制作得到的，在设计过程中不需要一个个去排列纳米结构。例如，在设计光学加密超表面10时，并不需要在真实场景下去排列多个目标纳米结构11，上述步骤S204中只需要确定每个位置处选用什么结构的目标纳米结构11，例如，确定每个位置处目标纳米结构11的形状、尺寸等，所形成的光学加密超表面10是一种超表面模型；之后基于光刻工艺可以制作得到真实的光学加密超表面10。
可选地，若第一特性还包括第一解密偏振态，即将偏振态也作为一种加密维度，则目标纳米结构11还对偏振敏感，该目标纳米结构11偏振相关。例如，该目标纳米结构11的形状可为椭圆柱形、矩形柱形等，其对不同偏振态的光束具有不同的调制相位。相应地，在步骤S204中，所选择的目标纳米结构11需要对波长为第一解密波长λ1且偏振态为第一解密偏振态的光束的调制相位与第一目标相位分布相匹配。
本发明实施例提供的一种光学加密方法，将需要保护的第一目标图案的光强分布转换为不可直接读取的相位分布，并以光学加密超表面10存储并记录该相位分布；并且，光学加密超表面10所使用的目标纳米结构11是对波长敏感的，只有使用具有第一特性的光束(例如，波长为第一解密波长λ1的光束)照射光学加密超表面10，才可以还原得到原始的第一目标图案；非法者在不知道第一解密波长λ1的情况下，不能直接还原得到第一目标图案，从而实现对第一目标图案的光学加密。并且，光学加密超表面10具有轻、薄的特点，基于该光学加密方法可以实现只采用少量材料且占用极小体积即可加密和记录大量信息。
在上述光学加密结构的实施例的基础上，本发明实施例提供的光学加密结构中，如图1所示，该光学加密超表面10可以是只有一层的结构；或者，该光学加密超表面10也可以是多层结构，即该光学加密超表面10包括多层的超表面，本发明实施例将光学加密超表面10所包含的超表面称为“子超表面”。参见图4所示，该光学加密超表面10包括多个独立的子超表面100；其中，所有子超表面100对第一特性的光束的相位分布之和为第一目标相位分布，并且，层叠排列且对齐的所有子超表面100能够形成光学加密超表面10。
本发明实施例中，每个子超表面100本质上均为一种超表面，均包含多个周期排列在基底12上的目标纳米结构11，每个子超表面100本身具有自己的相位分布，并对波长敏感。本发明实施例中，所有子超表面100对第一特性的光束(例如，波长为第一解密波长λ1的光束)的相位分布之和为第一目标相位分布。例如，该第一目标相位分布为
光学加密超表面10包括m个独立的子超表面100，第i个子超表面100对第一特性的光束的相位分布为
则：
并且，多个子超表面100之间是相互独立的，在不需要解密时，多个子超表面100可以任意摆放；而当需要解密时，需要以层叠排列的方式摆放所有的子超表面100，此时该光学加密超表面10整体上的相位分布即为所有子超表面100的相位分布之和。并且，由于子超表面100为平面状结构，若层叠排列的子超表面100之间未对齐，例如，子超表面100的中心未对齐或旋转角度未对齐，则会导致第一解密光束经过层叠的所有子超表面100时，叠加到该第一解密光束的相位不满足该第一目标相位分布，不能还原得到第一目标图案。当所有子超表面100对齐时，在与该光学加密超表面10的主光轴相平行的一条线上，所有子超表面100中相应位置处的目标纳米结构11的调制相位之和为第一目标相位分布在该位置处的相位。例如，对于某位置(x,y)，所有子超表面100中的位置(x,y)是对齐的。此时，第一解密光束在依次经过所有子超表面100时，向该第一解密光束叠加的相位分布为该第一目标相位分布，从而可以还原得到第一目标图案。
例如，如图4所示，该光学加密超表面10包括三个独立的子超表面100，三个子超表面100的相位分布依次为
则
在需要解密时，将光学加密超表面10中的三个子超表面100层叠排列并对齐，波长为第一解密波长λ1的第一解密光束照射至该光学加密超表面10，可以在该光学加密超表面10的出光侧形成解密图案1，该解密图案1与第一目标图案相一致。并且，在解密时，若子超表面100不完整(例如，缺失部分子超表面100)，或者，部分子超表面100没有对齐，则会导致叠加至第一解密光束的相位不符合第一目标相位分布，不能还原得到第一目标图案。
此外，为避免利用部分(非全部)子超表面100即可还原得到第一目标图案，该光学加密超表面10中任意部分子超表面100对第一特性的光束的相位分布之和不为零，即，其余部分子超表面100对第一特性的光束的相位分布之和不可能等于第一目标相位分布；换句话说，该光学加密超表面10中任意部分子超表面100对第一特性的光束的相位分布之和不为该第一目标相位分布。
本发明实施例中，光学加密超表面10包括多个独立的子超表面100，在解密时除了需要解密光束的特性满足第一特性(如解密光束的波长为第一解密波长λ1)，还需要子超表面100之间相互对齐，且需要使用所有的子超表面100。该光学加密超表面10进一步增加了加密维度，能够进一步增加非法破解难度，可以进一步提高安全性。
此外可选地，为方便合法人员进行解密操作，参见图5所示，该光学加密结构还包括：解密光源20，该解密光源20能够发出第一解密光束。并且，第一子超表面100a以平行于解密光源20的形式设置在解密光源20的出光侧，并与解密光源20之间的相对位置固定；多个子超表面100中的至少一个子超表面100为第一子超表面100a，且所有第一子超表面100a能够互相对齐。
本发明实施例中，该光学加密超表面10中的部分子超表面100与解密光源20之间固定设置，为方便描述，这一部分子超表面100称为第一子超表面，并以100a表示，且第一子超表面100a的数量是至少一个，图5以包含两个第一子超表面100a为例示出。其中，所有的第一子超表面100a能够互相对齐，对齐的第一子超表面100a能够向解密光源20所发出第一解密光束施加相应的相位分布，再结合其他对齐的子超表面100，可以叠加第一目标相位分布。
本发明实施例中，第一子超表面100a的数量可以为一个，也可以为多个。若第一子超表面100a的数量为一个，则可认为该第一子超表面100a是对齐的；若第一子超表面100a的数量为多个，可以以对齐的形式固定所有的第一子超表面100a，或者，只固定第一子超表面100a的部分自由度，在其他自由度上，其仍然是可活动的。
具体地，第一子超表面100a与解密光源20之间的相对位置固定，指的可以是二者在轴向以及周向上的相对位置均固定，即第一子超表面100a所有自由度均是固定的，所有的第一子超表面100a始终对齐；或者，第一子超表面100a与解密光源20之间的相对位置固定，指的也可以是只在轴向上的相对位置固定，即第一子超表面100a在周向上是可活动的；例如，第一子超表面100a可以围绕光学加密超表面10的主光轴转动，只有在第一子超表面100a转动至合适的角度(周向位置)时，才可以与其他第一子超表面100a对齐，此时该第一子超表面100a才能够实现解密。
此外可选地，参见图5所示，该光学加密结构还包括：光电探测器30；第二子超表面100b以平行于光电探测器30的形式设置在光电探测器30的入光侧，并与光电探测器30之间的相对位置固定；多个子超表面100中除第一子超表面100a之外的至少一个子超表面100为第二子超表面100b，且所有第二子超表面100b能够互相对齐。
本发明实施例，与上述第一子超表面100a相似，可以将除第一子超表面100a之外的至少部分子超表面100作为第二子超表面，并以100b表示。其中，可以将除第一子超表面100a之外的所有子超表面100均作为第二子超表面100b；或者，也可以将除第一子超表面100a之外的一部分子超表面100作为第二子超表面100b，即还存在其他非第一子超表面100a、且非第二子超表面100b的子超表面100。
本发明实施例中，第一子超表面100a位于解密光源20的出光侧，与解密光源20形成一体式结构；而第二子超表面100b位于光电探测器30的入光侧，与光电探测器30形成一体式结构。包含光电探测器30和第二子超表面100b的一体式结构与上述包含解密光源20和第一子超表面100a的一体式结构原理相似，此处不做赘述。
可选地，可以利用限位支架固定子超表面的位置，从而形成相应的一体式结构。参见图6所示，该光学加密结构还包括：第一限位支架40和第二限位支架50。其中，解密光源20和所有的第一子超表面100a设置在第一限位支架40上；光电探测器30和所有的第二子超表面100b设置在第二限位支架50上。
本发明实施例中，第一限位支架40可以对解密光源20和所有的第一子超表面100a起到固定限位的作用，形成一体式结构；并且，第二限位支架50可以对光电探测器30和所有的第二子超表面100b起到固定限位的作用，形成另一个一体式结构。图6以光学加密超表面10包含一个第一子超表面100a和一个第二子超表面100b为例示出，此时，第一子超表面100a和一个第二子超表面100b对第一特性光束的相位分布之和为第一目标相位分布。
可选地，本发明实施例中，除第一子超表面100a之外的其他子超表面100均为第二子超表面100b。并且，第一限位支架40远离解密光源20的一侧以及第二限位支架50远离光电探测器30的一侧设有相对应的防呆结构；该防呆结构用于对齐所有的子超表面100。
本发明实施例中，将所有的子超表面100分为两部分，其中一部分均为第一子超表面100a，另一部分均为第二子超表面100b，在两部分的子超表面对齐时，即能够实现解密。为方便合法人员对齐，在该第一限位支架40和第二限位支架50之间设有相对应的防呆结构。例如，如图6所示，该第一限位支架40的特定位置具有公头41，该第二限位支架50的相应位置处具有与该公头41相匹配的母头51。
此外，本发明实施例还提供一种光学加密方法，可以设计出包含多个子超表面的光学加密超表面10。具体地，该光学加密方法包含图2所示实施例中的步骤S201-S204，并且，该步骤S204“按照第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构”具体包括以下步骤A1-A2：
步骤A1：确定多个子相位分布，所有子相位分布之和为第一目标相位分布。
步骤A2：按照每个子相位分布分别确定相应的子超表面在每个位置处的目标纳米结构，子超表面中周期排列的多个目标纳米结构对第一特性的光束的相位分布为相应的子相位分布。
本发明实施例中，在步骤S202确定第一目标相位分布之后，将该第一目标相位分布分为多个相位分布，即子相位分布，每个子相位分布对应一个子超表面100，并以该子相位分布确定子超表面100在每个位置处的目标纳米结构11，从而设计得到所需的子超表面100。例如，将第一目标相位分布
分为m个子相位分布
以该子相位分布
设计第一个子超表面，且该第一个子超表面对第一特性的光束的相位分布为
其他子超表面与此相似，此处不做赘述。
可选地，可以先对相位分布离散化，之后确定每个位置处的目标纳米结构。具体地，上述步骤S204“按照第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构”包括以下步骤B1-B3：
步骤B1：将第一目标相位分布分割为多个区域，确定每个区域对应的第一离散相位值。
本发明实施例中，将第一目标相位分布分割为多个区域，实现对该第一目标相位分布的离散化，该第一目标相位分布在每个区域中的相位值即为相应区域的离散相位值，本实施例将该离散相位值称为第一离散相位值。例如，可以按照第一目标图案的像素大小进行分割，每个区域对应一个像素；或者，也可以按照目标纳米结构的排列周期大小进行分割，每个区域对应目标纳米结构的一个周期，本实施例对该分割方式不做限定。一般情况下，为了降低解密图案的失真，该区域的尺寸不大于目标图案(如第一目标图案)的像素大小。
步骤B2：对多种纳米结构进行分析，确定对第一特性的光束的调制相位能够覆盖0至2π的n种目标纳米结构，每种目标纳米结构对应不同的调制相位。
设计超表面时，所需的纳米结构的调制相位应当能够覆盖0至2π。本发明实施例中，分析多种纳米结构对第一特性的光束的调制相位，进而可以选取出调制相位能够覆盖0至2π的n种目标纳米结构，基于这n种目标纳米结构设计光学加密超表面10。其中，n≥2；为保证超表面的整体性能效果，可以选取较大的n值，例如，n≥4或n≥6，或者，n≥8等，以能够准确表示第一离散相位值。
步骤B3：为每个区域配置相应的目标纳米结构，该区域所配置的目标纳米结构对第一特性的光束的调制相位与相应的第一离散相位值相一致。
本发明实施例中，基于每个区域的第一离散相位值的大小，为该区域分配具有相应调制相位的目标纳米结构，使得多个目标纳米结构所形成的相位分布与离散化的第一目标相位分布相一致。例如，n＝8，8种目标纳米结构对第一特性的光束的调制相位依次为
对于某个区域，若其中一种目标纳米结构的调制相位与该区域的第一离散相位值最接近，则二者相一致，可将该目标纳米结构配置给该区域。例如，可以将调制相位为
的目标纳米结构配置给第一离散相位值在
内的区域。
本领域技术人员可以理解，由于0至2π之间具有无穷多个相位，不可能绝对覆盖0至2π，本发明实施例中的“能够覆盖0至2π”指的是在误差允许范围内相对地能够覆盖0至2π。例如，对于调制相位分布比较均匀的n个纳米结构，若其最大相位与最小相位之差接近2π，只要n足够大，即可认为这n个纳米结构的调制相位能够覆盖0至2π。例如，n＝8，8个纳米结构对第一特性光束的调制相位依次为
则可认为这8个纳米结构对第一特性光束的调制相位能够覆盖0至2π，这8个纳米结构可以作为目标纳米结构。
此外，需要说明的是，多个纳米结构能够覆盖0至2π，指的是多个纳米结构的相位(即调制相位)所对应的跨度能够达到2π，并不限定纳米结构的相位必须在[0,2π]，这些纳米结构的相位是基于其中一个纳米结构的相对相位。例如，除第一个纳米结构之外，其余n-1个纳米结构的相位都是以该第一个纳米结构的相位为基准所确定的，该第一个纳米结构的相位可以为0，也可以为其他任意值，其他n-1个纳米结构的相位依次递增(或递减)，得到能够覆盖0至2π的n个纳米结构。例如，上述的能够覆盖0至2π的8个目标纳米结构对第一特性光束的调制相位依次为
该
可以为任意值；这8个目标纳米结构的相位可以为任意值，但相位相邻的两个目标纳米结构的相位差始终为
为方便描述，本发明实施例以8个目标纳米结构对第一特性光束的调制相位依次是
为例说明。
可选地，若光学加密超表面10包含多个子超表面100，则每个子相位分布均按照相同的划分方式划分为多个区域进行离散化，并为每个区域配置符合该子相位分布的目标纳米结构11，此处不做赘述。
可选地，对于由多个单元按照一定规律组成的图案，例如二维码等，如上所述，可以将均匀光束作为解密光束；或者，也可将一个单元作为解密光束。具体地，第一目标图案为在至少一个方向上双色相间的标识图案，将该第一目标图案中的一个图案单元作为基础图案，多个基础图案能够组成该第一目标图案。例如，第一目标图案可以是在水平方向上黑白相间的条形码，其基础图案可以是具有一定宽度的长条状图案；或者，第一目标图案可以是在水平方向和垂直方向上黑白相间的二维码，其基础图案可以为二维码中的一个像素点，或者，也可以是由少量像素点组成的图案。
本发明实施例中，第一目标相位分布为能够将基础图案的光强分布复制为第一目标图案的光强分布的相位分布；并且，该第一解密光束的光强分布与基础图案的光强分布一致。例如，可以利用G-S算法确定该第一目标相位分布，其每次迭代使用的光束为基础图案对应的光束，即迭代过程中所使用的波函数为该基础图案对应的波函数。
在解密过程中，参见图7所示，以光强分布符合该基础图案光强分布的第一解密光束照射光学加密超表面10，经该光学加密超表面10复制的作用，可以将该基础图案分束至成像面的不同位置，进而由多个基础图案组合得到原始的第一目标图案，之后对该第一目标图案进行译码即可；例如，该加密超表面10可以利用衍射分束或透镜阵列分束等原理实现光学复制。其中，在形成该第一目标图案时，不同的基础图案可以以叠加或非叠加的方式组合，本实施例对此不做限定。
本发明实施例利用基础图案对具有一定规律的第一目标图案进行加密，在解密时除了要求第一解密光束的波长为第一解密波长，还需要所使用的解密图案为基础图案，基础图案中的图形形状不正确或尺寸不正确，均会导致解密失败，不能还原得到第一目标图案，该光学加密结构加密维度更多，具有更高的安全性。
在上述光学加密结构的实施例的基础上，本发明实施例提供的光学加密结构中，该光学加密超表面10还可实现对其他目标图案进行加密。具体地，该光学加密超表面10对第二特性的光束的相位分布为预设的第二目标相位分布，第二目标相位分布为基于待加密的第二目标图案的光强分布转换得到的相位分布；第二特性包括第二解密波长和/或第二解密偏振态。其中，该光学加密超表面10能够将射入的第二解密光束转换为第二目标图案，第二解密光束的特性为第二特性；第一目标图案与第二目标图案不同，第一特性与第二特性不同。
本发明实施例中，目标纳米结构对不同特性光束(第一特性的光束、第二特性的光束)的调制相位不同，从而可以利用不同特性的解密光束还原出不同的目标图案。具体地，目标纳米结构对波长敏感，第一特性的光束与第二特性的光束是不同波长的光束，即第一解密波长与第二解密波长不同。若目标纳米结构对偏振敏感，则第一特性的光束与第二特性的光束可以是不同偏振态的光束；例如，第一解密偏振态与第二解密偏振态不同(第一解密波长与第二解密波长可以相同)，或者，第一解密波长与第二解密波长不同、且第一解密偏振态与第二解密偏振态不同；优选地，至少第一解密波长与第二解密波长不同。其中，利用符合第二目标相位分布的光学加密超表面10还原得到第二目标图案，其原理与还原得到第一目标图案相同，此处不做赘述。
例如，参见图8所示，第一目标图案为数字“1”，第二目标图案为数字“0”，两个目标图案对应的相位分布(即第一目标相位分布和第二目标相位分布)如图8所示。本发明实施例以两种不同波长作为第一特性和第二特性，即第一解密波长λ1与第二解密波长λ2不同；相应地，光学加密超表面10对波长为第一解密波长λ1的光束的调制相位为第一目标相位分布，对波长为第二解密波长λ2的光束的调制相位为第二目标相位分布。参见图9所示，当以波长为第一解密波长λ1的第一解密光束照射该光学加密超表面10时，可以得到解密图案1a，其与第一目标图案相一致；当以波长为第二解密波长λ2的第二解密光束照射该光学加密超表面10时，可以得到解密图案1b，其与第二目标图案相一致。
此外可选地，在光学加密超表面10能够还原不同加密图案的情况下，利用该光学加密结构还可实现加密通信。例如，发送方可以按照时间顺序发送不同特性的光束，接收方将接收到的光束照射至该光学加密超表面10，即可还原得到按照时间顺序发送的加密图案。例如，加密图案为0和1，则可实现二进制通信。
本发明实施例还提供一种光学加密方法，基于该光学加密方法可以设计得到能够还原至少两种目标图案的光学加密超表面10。具体地，该光学加密方法除了包含上述实施例中的步骤S201-S203之外，还包括下述步骤C1-C3，并且，上述步骤S204“按照第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构”具体包括下述步骤D1。
步骤C1：获取待加密的第二目标图案，第二目标图案与第一目标图案不同。
步骤C2：将第二目标图案的光强分布转换为相应的第二目标相位分布。
步骤C3：确定第二特性，第二特性包括第二解密波长和/或第二解密偏振态，且第二特性与第一特性不同。
其中，步骤C1-C3与上述实施例中的步骤S201-S203相似，本实施例对此不做赘述。
步骤D1：按照第一目标相位分布和第二目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构；其中，光学加密超表面中周期排列的多个目标纳米结构对第二特性的光束的相位分布为第二目标相位分布；光学加密超表面能够将射入的第二解密光束转换为第二目标图案，第二解密光束的特性为第二特性。
本发明实施例中，在确定每个位置处的目标纳米结构时，除了需要考虑第一目标相位分布之外，还需要考虑第二目标相位分布，使得光学加密超表面10对第一特性的光束的相位分布为第一目标相位分布，并且对第二特性的光束的相位分布为第二目标相位分布。当第二特性的第二解密光束照射该光学加密超表面10时，可以还原得到第二目标图案。
可选地，上述步骤D1“按照第一目标相位分布和第二目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构”包括以下步骤D11-D13：
步骤D11：将第一目标相位分布分割为多个区域，确定每个区域对应的第一离散相位值；并且，以相同的分割方式将第二目标相位分布分割为多个区域，确定每个区域对应的第二离散相位值。
本发明实施例中，与上述步骤B1相似，对第一目标相位分布离散化，以确定每个区域对应的第一离散相位值；并且，本发明实施例还对第二目标相位分布离散化，以能够确定每个区域对应的第二离散相位值。
步骤D12：对多种纳米结构进行分析，确定n种目标纳米结构，n种目标纳米结构能够被分为a组，每组包含b种目标纳米结构；每组中的b种目标纳米结构对第一特性的光束的调制相位相同，且对第二特性的光束的调制相位能够覆盖0至2π；所有组的目标纳米结构对第一特性的光束的调制相位能够覆盖0至2π。
本发明实施例中，由于第一目标相位分布与第二目标相位分布是不同的，若某些位置处的第一目标相位(即对第一特性光束的调制相位)均相同，但这些位置处的第二目标相位(即第二特性光束的调制相位)可以不同，且可能会覆盖0至2π，因此，本发明实施例所选取的n种目标纳米结构需要在两种维度上均能够覆盖0至2π。具体地，本发明实施例选取a×b种目标纳米结构，即n＝a×b；其中的b种目标纳米结构对第一特性的光束的调制相位相同，但对第二特性的光束的调制相位不同、且能够覆盖0至2π，形成一组目标纳米结构；并且，还存在另外的b种目标纳米结构对第一特性的光束的调制相位也相同，但对第二特性的光束的调制相位不同、且能够覆盖0至2π，其可以形成另一组目标纳米结构。以此类推，共可形成a组目标纳米结构，每一组中，所有的目标纳米结构(每一组共b种目标纳米结构)对第一特性的光束的调制相位相同，但对第二特性的光束的调制相位不同、且能够覆盖0至2π；并且，任意两组的目标纳米结构对第一特性的光束的调制相位不同，且所有组的目标纳米结构对第一特性的光束的调制相位能够覆盖0至2π。
例如，以Si表示第i组的目标纳米结构，以si,j表示第i组中的第j个目标纳米结构，i＝1,2,…,a，j＝1,2,…,b。则第1组S1中的目标纳米结构s1,1、s1,2、…、s1,b对第一特性光束的调制相位相同，例如为
并且，其对第二特性光束的调制相位能够覆盖0至2π。相应地，第2组S2中的目标纳米结构s2,1、s2,2、…、s2,b对第一特性光束的调制相位相同，例如为
并且，其对第二特性光束的调制相位能够覆盖0至2π。……第a组Sa中的目标纳米结构sa,1、sa,2、…、sa,b对第一特性光束的调制相位相同，例如为
并且，其对第二特性光束的调制相位能够覆盖0至2π。并且，相位
也能覆盖0至2π。
其中，a、b均大于或等于2。可选地，为了保证超表面的整体性能效果，可以选取较大的a和b，例如，二者均≥4或≥6。可选地，a与b相同，且均大于或等于8，即a＝b≥8。
步骤D13：为每个区域配置相应的目标纳米结构，区域所配置的目标纳米结构对第一特性的光束的调制相位与相应的第一离散相位值相一致，并且，区域所配置的目标纳米结构对第二特性的光束的调制相位与相应的第二离散相位值相一致。
本发明实施例中，通过为每个区域配置合适的目标纳米结构，使得每个位置处的目标纳米结构与第一离散相位值和第二离散相位值均相一致，进而可以使得光学加密超表面10能够同时满足第一目标相位分布和第二目标相位分布。具体地，在为某个区域分配目标纳米结构时，需要同时考虑该目标纳米结构是否与第一离散相位值和第二离散相位值均相一致。
例如，a＝b＝8，且8种调制相位依次为
目标纳米结构si,j对第一特性光束的调制相位为第i种相位，对第二特性光束的调制相位为第j种相位；例如，目标纳米结构s1,2对两种光束的调制相位分别为0和
若某个区域的第一离散相位值为0，第二离散相位值为
则可选用该目标纳米结构s1,2。
下面通过一个实施例介绍该光学加密方法以及光学加密结构。
本发明实施例中，为方便描述，光学加密超表面10为一层结构，且其只对一种目标图案进行加密。本发明实施例选用圆柱状的纳米结构，如图10所示，该圆柱状的纳米结构的材料为硅(Si)，基底12的材料为二氧化硅(SiO2)，纳米结构的直径为D。本发明实施例中，将波长940nm作为第一解密波长，并选用高度为590nm且周期为525nm的纳米结构，该纳米结构的调制相位与其直径D之间的关系可参见图11所示，由图11可知，该纳米结构的调制相位能够覆盖0至2π，可以选择其作为目标纳米结构。本发明实施例从中选取8种目标纳米结构，其调制相位依次为
参见图12所示，本发明实施例将数字“1”的图案作为第一目标图案，其对应的第一目标相位分布如图12所示。基于该第一目标相位分布设计制作光学加密超表面10，之后以波长为940nm的球面波照射该光学加密超表面10，在该光学加密超表面10的像平面处衍射得到解密图案；如图12所示，该解密图案与原始的第一目标图案相一致。
上文详细描述了本发明实施例提供的光学加密方法，该方法也可以通过相应的装置实现，下面详细描述本发明实施例提供的光学加密装置。
图13示出了本发明实施例所提供的一种光学加密装置的结构示意图。如图13所示，该光学加密装置包括：
获取模块1001，用于获取待加密的第一目标图案；
转换模块1002，用于将所述第一目标图案的光强分布转换为相应的第一目标相位分布；
确定模块1003，用于确定第一特性，所述第一特性包括第一解密波长；
设计模块1004，用于按照所述第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，形成包括多个所述目标纳米结构的光学加密超表面；所述目标纳米结构对波长敏感，且所述光学加密超表面中周期排列的多个目标纳米结构对第一特性的光束的相位分布为所述第一目标相位分布；
其中，所述光学加密超表面能够将射入的第一解密光束转换为所述第一目标图案，所述第一解密光束的特性为所述第一特性。
在一种可能的实现方式中，所述设计模块1004按照所述第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，包括：
确定多个子相位分布，所有所述子相位分布之和为所述第一目标相位分布；
按照每个所述子相位分布分别确定相应的子超表面在每个位置处的目标纳米结构，所述子超表面中周期排列的多个目标纳米结构对第一特性的光束的相位分布为相应的子相位分布。
在一种可能的实现方式中，所述第一特性还包括第一解密偏振态，所述目标纳米结构还对偏振敏感。
在一种可能的实现方式中，所述设计模块1004按照所述第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，包括：
将所述第一目标相位分布分割为多个区域，确定每个区域对应的第一离散相位值；
对多种纳米结构进行分析，确定对所述第一特性的光束的调制相位能够覆盖0至2π的n种目标纳米结构，每种所述目标纳米结构对应不同的调制相位，n大于或等于2；
为每个所述区域配置相应的目标纳米结构，所述区域所配置的目标纳米结构对所述第一特性的光束的调制相位与相应的第一离散相位值相一致。
在一种可能的实现方式中，n大于或等于8。
在一种可能的实现方式中，
获取模块1001还用于：获取待加密的第二目标图案，所述第二目标图案与所述第一目标图案不同；
转换模块1002还用于：将所述第二目标图案的光强分布转换为相应的第二目标相位分布；以及
确定模块1003还用于：确定第二特性，所述第二特性包括第二解密波长和/或第二解密偏振态，且所述第二特性与所述第一特性不同；
所述设计模块1004按照所述第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，包括：
按照所述第一目标相位分布和所述第二目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构；
所述光学加密超表面中周期排列的多个目标纳米结构对第二特性的光束的相位分布为所述第二目标相位分布；所述光学加密超表面能够将射入的第二解密光束转换为所述第二目标图案，所述第二解密光束的特性为所述第二特性。
在一种可能的实现方式中，所述设计模块1004按照所述第一目标相位分布和所述第二目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，包括：
将所述第一目标相位分布分割为多个区域，确定每个区域对应的第一离散相位值；并且，以相同的分割方式将所述第二目标相位分布分割为多个区域，确定每个区域对应的第二离散相位值；
对多种纳米结构进行分析，确定n种目标纳米结构，所述n种目标纳米结构能够被分为a组，每组包含b种目标纳米结构；每组中的b种目标纳米结构对所述第一特性的光束的调制相位相同，且对所述第二特性的光束的调制相位能够覆盖0至2π；所有组的目标纳米结构对所述第一特性的光束的调制相位能够覆盖0至2π；
为每个所述区域配置相应的目标纳米结构，所述区域所配置的目标纳米结构对所述第一特性的光束的调制相位与相应的第一离散相位值相一致，并且，所述区域所配置的目标纳米结构对所述第二特性的光束的调制相位与相应的第二离散相位值相一致。
在一种可能的实现方式中，a与b相同，且均大于或等于8。
本发明实施例还提供一种光学加密装置，所述光学加密装置包括：处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的计算机程序，以实现上述任一方法实施例提供的光学加密方法。
例如，所述光学加密装置包括处理器和存储器；所述存储器被配置为存储计算机程序；所述处理器被配置为能够执行所述计算机程序，以使所述光学加密装置能够执行以下操作：
获取待加密的第一目标图案；
将所述第一目标图案的光强分布转换为相应的第一目标相位分布；
确定第一特性，所述第一特性包括第一解密波长；
按照所述第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，形成包括多个所述目标纳米结构的光学加密超表面；所述目标纳米结构对波长敏感，且所述光学加密超表面中周期排列的多个目标纳米结构对第一特性的光束的相位分布为所述第一目标相位分布；
其中，所述光学加密超表面能够将射入的第一解密光束转换为所述第一目标图案，所述第一解密光束的特性为所述第一特性。
此外，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括总线、收发器、存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该收发器、该存储器和处理器分别通过总线相连，计算机程序被处理器执行时实现上述光学加密方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
具体的，参见图14所示，本发明实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括总线1110、处理器1120、收发器1130、总线接口1140、存储器1150和用户接口1160。
在本发明实施例中，该电子设备还包括：存储在存储器1150上并可在处理器1120上运行的计算机程序，计算机程序被处理器1120执行时实现上述光学加密方法实施例的各个过程。
收发器1130，用于在处理器1120的控制下接收和发送数据。
本发明实施例中，总线架构(用总线1110来代表)，总线1110可以包括任意数量互联的总线和桥，总线1110将包括由处理器1120代表的一个或多个处理器与存储器1150代表的存储器的各种电路连接在一起。
总线1110表示若干类型的总线结构中的任何一种总线结构中的一个或多个，包括存储器总线以及存储器控制器、外围总线、加速图形端口(Accelerate Graphical Port，AGP)、处理器或使用各种总线体系结构中的任意总线结构的局域总线。作为示例而非限制，这样的体系结构包括：工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，ISA)总线、微通道体系结构(Micro Channel Architecture，MCA)总线、扩展ISA(Enhanced ISA，EISA)总线、视频电子标准协会(Video Electronics Standards Association，VESA)、外围部件互连(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线。
处理器1120可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中硬件的集成逻辑电路或软件形式的指令完成。上述的处理器包括：通用处理器、中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)、复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable LogicDevice，CPLD)、可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)、微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)或其他可编程逻辑器件、分立门、晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或执行本发明实施例中公开的各方法、步骤及逻辑框图。例如，处理器可以是单核处理器或多核处理器，处理器可以集成于单颗芯片或位于多颗不同的芯片。
处理器1120可以是微处理器或任何常规的处理器。结合本发明实施例所公开的方法步骤可以直接由硬件译码处理器执行完成，或者由译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、闪存(FlashMemory)、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、寄存器等本领域公知的可读存储介质中。所述可读存储介质位于存储器中，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
总线1110还可以将，例如外围设备、稳压器或功率管理电路等各种其他电路连接在一起，总线接口1140在总线1110和收发器1130之间提供接口，这些都是本领域所公知的。因此，本发明实施例不再对其进行进一步描述。
收发器1130可以是一个元件，也可以是多个元件，例如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。例如：收发器1130从其他设备接收外部数据，收发器1130用于将处理器1120处理后的数据发送给其他设备。取决于计算机系统的性质，还可以提供用户接口1160，例如：触摸屏、物理键盘、显示器、鼠标、扬声器、麦克风、轨迹球、操纵杆、触控笔。
应理解，在本发明实施例中，存储器1150可进一步包括相对于处理器1120远程设置的存储器，这些远程设置的存储器可以通过网络连接至服务器。上述网络的一个或多个部分可以是自组织网络(ad hoc network)、内联网(intranet)、外联网(extranet)、虚拟专用网(VPN)、局域网(LAN)、无线局域网(WLAN)、广域网(WAN)、无线广域网(WWAN)、城域网(MAN)、互联网(Internet)、公共交换电话网(PSTN)、普通老式电话业务网(POTS)、蜂窝电话网、无线网络、无线保真(Wi-Fi)网络以及两个或更多个上述网络的组合。例如，蜂窝电话网和无线网络可以是全球移动通信(GSM)系统、码分多址(CDMA)系统、全球微波互联接入(WiMAX)系统、通用分组无线业务(GPRS)系统、宽带码分多址(WCDMA)系统、长期演进(LTE)系统、LTE频分双工(FDD)系统、LTE时分双工(TDD)系统、先进长期演进(LTE-A)系统、通用移动通信(UMTS)系统、增强移动宽带(Enhance Mobile Broadband，eMBB)系统、海量机器类通信(massive Machine Type of Communication，mMTC)系统、超可靠低时延通信(UltraReliable Low Latency Communications，uRLLC)系统等。
应理解，本发明实施例中的存储器1150可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性存储器和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器包括：只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存(Flash Memory)。
易失性存储器包括：随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如：静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double Data RateSDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambus RAM，DRRAM)。本发明实施例描述的电子设备的存储器1150包括但不限于上述和任意其他适合类型的存储器。
在本发明实施例中，存储器1150存储了操作系统1151和应用程序1152的如下元素：可执行模块、数据结构，或者其子集，或者其扩展集。
具体而言，操作系统1151包含各种系统程序，例如：框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序1152包含各种应用程序，例如：媒体播放器(Media Player)、浏览器(Browser)，用于实现各种应用业务。实现本发明实施例方法的程序可以包含在应用程序1152中。应用程序1152包括：小程序、对象、组件、逻辑、数据结构以及其他执行特定任务或实现特定抽象数据类型的计算机系统可执行指令。
此外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述光学加密方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
计算机可读存储介质包括：永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，是可以保留和存储供指令执行设备所使用指令的有形设备。计算机可读存储介质包括：电子存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备以及上述任意合适的组合。计算机可读存储介质包括：相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、非易失性随机存取存储器(NVRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带存储、磁带磁盘存储或其他磁性存储设备、记忆棒、机械编码装置(例如在其上记录有指令的凹槽中的穿孔卡或凸起结构)或任何其他非传输介质、可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本发明实施例中的界定，计算机可读存储介质不包括暂时信号本身，例如无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如穿过光纤电缆的光脉冲)或通过导线传输的电信号。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所披露的装置、电子设备和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的、机械的或其他的形式连接。
所述作为分离部件说明的单元可以是或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或也可以不是物理单元，既可以位于一个位置，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来解决本发明实施例方案要解决的问题。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术作出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(包括：个人计算机、服务器、数据中心或其他网络设备)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而上述存储介质包括如前述所列举的各种可以存储程序代码的介质。
在本发明实施例的描述中，所属技术领域的技术人员应当知道，本发明实施例可以实现为方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。因此，本发明实施例可以具体实现为以下形式：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)、硬件和软件结合的形式。此外，在一些实施例中，本发明实施例还可以实现为在一个或多个计算机可读存储介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读存储介质中包含计算机程序代码。
上述计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读存储介质的任意组合。计算机可读存储介质包括：电、磁、光、电磁、红外或半导体的系统、装置或器件，或者以上任意的组合。计算机可读存储介质更具体的例子包括：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存(Flash Memory)、光纤、光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件或以上任意组合。在本发明实施例中，计算机可读存储介质可以是任意包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置、器件使用或与其结合使用。
上述计算机可读存储介质包含的计算机程序代码可以用任意适当的介质传输，包括：无线、电线、光缆、射频(Radio Frequency，RF)或者以上任意合适的组合。
可以以汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、集成电路配置数据或以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明实施例操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，例如：Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言，例如：C语言或类似的程序设计语言。计算机程序代码可以完全的在用户计算机上执行、部分的在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行以及完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括：局域网(LAN)或广域网(WAN)，可以连接到用户计算机，也可以连接到外部计算机。
本发明实施例通过流程图和/或方框图描述所提供的方法、装置、电子设备。
应当理解，流程图和/或方框图的每个方框以及流程图和/或方框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，这些计算机可读程序指令通过计算机或其他可编程数据处理装置执行，产生了实现流程图和/或方框图中的方框规定的功能/操作的装置。
也可以将这些计算机可读程序指令存储在能使得计算机或其他可编程数据处理装置以特定方式工作的计算机可读存储介质中。这样，存储在计算机可读存储介质中的指令就产生出一个包括实现流程图和/或方框图中的方框规定的功能/操作的指令装置产品。
也可以将计算机可读程序指令加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，使得在计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机或其他可编程数据处理装置上执行的指令能够提供实现流程图和/或方框图中的方框规定的功能/操作的过程。
以上所述，仅为本发明实施例的具体实施方式，但本发明实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。因此，本发明实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (19)
1.一种光学加密结构，其特征在于，包括：光学加密超表面(10)；
所述光学加密超表面(10)包括多个周期排列的目标纳米结构(11)，所述目标纳米结构(11)对波长敏感；
所述光学加密超表面(10)对第一特性的光束的相位分布为预设的第一目标相位分布；所述第一特性包括第一解密波长，所述第一目标相位分布为基于待加密的第一目标图案的光强分布转换得到的相位分布；
所述光学加密超表面(10)能够将射入的第一解密光束转换为所述第一目标图案，所述第一解密光束的特性为所述第一特性。
2.根据权利要求1所述的光学加密结构，其特征在于，所述光学加密超表面(10)包括多个独立的子超表面(100)；
所有所述子超表面(100)对所述第一特性的光束的相位分布之和为所述第一目标相位分布，层叠排列且对齐的所有所述子超表面(100)能够形成所述光学加密超表面(10)。
3.根据权利要求2所述的光学加密结构，其特征在于，还包括：解密光源(20)；
所述解密光源(20)能够发出所述第一解密光束；
第一子超表面以平行于所述解密光源(20)的形式设置在所述解密光源(20)的出光侧，并与所述解密光源(20)之间的相对位置固定；多个所述子超表面(100)中的至少一个为所述第一子超表面，且所有所述第一子超表面能够互相对齐。
4.根据权利要求3所述的光学加密结构，其特征在于，还包括：光电探测器(30)；
第二子超表面以平行于所述光电探测器(30)的形式设置在所述光电探测器(30)的入光侧，并与所述光电探测器(30)之间的相对位置固定；多个所述子超表面(100)中除所述第一子超表面之外的至少一个为所述第二子超表面，且所有所述第二子超表面能够互相对齐。
5.根据权利要求4所述的光学加密结构，其特征在于，还包括：第一限位支架(40)和第二限位支架(50)；
所述解密光源(20)和所有的所述第一子超表面设置在所述第一限位支架(40)上；
所述光电探测器(30)和所有的所述第二子超表面设置在所述第二限位支架(50)上。
6.根据权利要求5所述的光学加密结构，其特征在于，除所述第一子超表面之外的其他子超表面(100)均为所述第二子超表面；
所述第一限位支架(40)远离所述解密光源(20)的一侧以及所述第二限位支架(50)远离所述光电探测器(30)的一侧设有相对应的防呆结构；所述防呆结构用于对齐所有的子超表面(100)。
7.根据权利要求1所述的光学加密结构，其特征在于，所述第一特性还包括第一解密偏振态，所述目标纳米结构(11)还对偏振敏感。
8.根据权利要求1或7所述的光学加密结构，其特征在于，
所述光学加密超表面(10)对第二特性的光束的相位分布为预设的第二目标相位分布，所述第二目标相位分布为基于待加密的第二目标图案的光强分布转换得到的相位分布；所述第二特性包括第二解密波长和/或第二解密偏振态；
所述光学加密超表面(10)能够将射入的第二解密光束转换为所述第二目标图案，所述第二解密光束的特性为所述第二特性；所述第一目标图案与所述第二目标图案不同，所述第一特性与所述第二特性不同。
9.根据权利要求8所述的光学加密结构，其特征在于，所述第一解密波长与所述第二解密波长不同。
10.根据权利要求1所述的光学加密结构，其特征在于，所述第一目标图案为在至少一个方向上双色相间的标识图案；
所述第一目标相位分布为能够将基础图案的光强分布复制为所述第一目标图案的光强分布的相位分布；所述基础图案为能够组成所述第一目标图案的图案单元；
所述第一解密光束的光强分布与所述基础图案的光强分布一致。
11.一种光学加密方法，其特征在于，包括：
获取待加密的第一目标图案；
将所述第一目标图案的光强分布转换为相应的第一目标相位分布；
确定第一特性，所述第一特性包括第一解密波长；
按照所述第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，形成包括多个所述目标纳米结构的光学加密超表面；所述目标纳米结构对波长敏感，且所述光学加密超表面中周期排列的多个目标纳米结构对第一特性的光束的相位分布为所述第一目标相位分布；
其中，所述光学加密超表面能够将射入的第一解密光束转换为所述第一目标图案，所述第一解密光束的特性为所述第一特性。
12.根据权利要求11所述的光学加密方法，其特征在于，所述按照所述第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，包括：
确定多个子相位分布，所有所述子相位分布之和为所述第一目标相位分布；
按照每个所述子相位分布分别确定相应的子超表面在每个位置处的目标纳米结构，所述子超表面中周期排列的多个目标纳米结构对第一特性的光束的相位分布为相应的子相位分布。
13.根据权利要求11所述的光学加密方法，其特征在于，所述第一特性还包括第一解密偏振态，所述目标纳米结构还对偏振敏感。
14.根据权利要求11-13任意一项所述的光学加密方法，其特征在于，所述按照所述第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，包括：
将所述第一目标相位分布分割为多个区域，确定每个区域对应的第一离散相位值；
对多种纳米结构进行分析，确定对所述第一特性的光束的调制相位能够覆盖0至2π的n种目标纳米结构，每种所述目标纳米结构对应不同的调制相位，n大于或等于2；
为每个所述区域配置相应的目标纳米结构，所述区域所配置的目标纳米结构对所述第一特性的光束的调制相位与相应的第一离散相位值相一致。
15.根据权利要求14所述的光学加密方法，其特征在于，n大于或等于8。
16.根据权利要求11所述的光学加密方法，其特征在于，还包括：
获取待加密的第二目标图案，所述第二目标图案与所述第一目标图案不同；
将所述第二目标图案的光强分布转换为相应的第二目标相位分布；以及
确定第二特性，所述第二特性包括第二解密波长和/或第二解密偏振态，且所述第二特性与所述第一特性不同；
所述按照所述第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，包括：
按照所述第一目标相位分布和所述第二目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构；
所述光学加密超表面中周期排列的多个目标纳米结构对第二特性的光束的相位分布为所述第二目标相位分布；所述光学加密超表面能够将射入的第二解密光束转换为所述第二目标图案，所述第二解密光束的特性为所述第二特性。
17.根据权利要求16所述的光学加密方法，其特征在于，所述按照所述第一目标相位分布和所述第二目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，包括：
将所述第一目标相位分布分割为多个区域，确定每个区域对应的第一离散相位值；并且，以相同的分割方式将所述第二目标相位分布分割为多个区域，确定每个区域对应的第二离散相位值；
对多种纳米结构进行分析，确定n种目标纳米结构，所述n种目标纳米结构能够被分为a组，每组包含b种目标纳米结构；每组中的b种目标纳米结构对所述第一特性的光束的调制相位相同，且对所述第二特性的光束的调制相位能够覆盖0至2π；所有组的目标纳米结构对所述第一特性的光束的调制相位能够覆盖0至2π；
为每个所述区域配置相应的目标纳米结构，所述区域所配置的目标纳米结构对所述第一特性的光束的调制相位与相应的第一离散相位值相一致，并且，所述区域所配置的目标纳米结构对所述第二特性的光束的调制相位与相应的第二离散相位值相一致。
18.根据权利要求17所述的光学加密方法，其特征在于，a与b相同，且均大于或等于8。
19.一种光学加密装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取待加密的第一目标图案；
转换模块，用于将所述第一目标图案的光强分布转换为相应的第一目标相位分布；
确定模块，用于确定第一特性，所述第一特性包括第一解密波长；
设计模块，用于按照所述第一目标相位分布确定每个位置处的目标纳米结构，形成包括多个所述目标纳米结构的光学加密超表面；所述目标纳米结构对波长敏感，且所述光学加密超表面中周期排列的多个目标纳米结构对第一特性的光束的相位分布为所述第一目标相位分布；
其中，所述光学加密超表面能够将射入的第一解密光束转换为所述第一目标图案，所述第一解密光束的特性为所述第一特性。
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