CN116224580B - 设计方法和光学加密系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种设计方法和光学加密系统。设计方法用于设计光学加密结构的微纳结构，设计方法包括：获取待加密的第一目标图像和第二目标图像；确定第一目标图像的相位分布，作为目标反射相位分布，且确定第二目标图像的相位分布，作为目标透射相位分布；根据目标透射相位分布和目标反射相位分布，对若干候选微纳结构进行筛选，得到目标微纳结构；排列多个目标微纳结构，形成光学加密结构。本申请提供的设计方法通过根据第一目标图像和第二目标图像确定的目标反射相位分布和目标透射相位分布，筛选满足要求微纳结构排列形成光学加密结构，使光学加密结构可以同时对透射光场和反射光场进行光学加密，实现低成本、高度集成和多方向的光学加密方法。

Description

设计方法和光学加密系统

技术领域

本申请涉及光学加密技术领域，尤其涉及一种设计方法和光学加密系统。

背景技术

随着现代通信技术的飞速发展，信息传输的安全性受到广泛研究。其中，具有高速并行处理图像数据和多自由度等特点的光学加密技术受到关注。

然而，目前光学加密结构仅能在单方向上进行光学加密，加密集成度较低。

发明内容

本申请提供一种设计方法和光学加密系统，可以提高光学加密集成度。

本申请的一个方面提供一种设计方法，用于设计光学加密结构的微纳结构，所述设计方法包括：

获取待加密的第一目标图像和第二目标图像；

确定所述第一目标图像的相位分布，作为目标反射相位分布，且确定所述第二目标图像的相位分布，作为目标透射相位分布；

根据所述目标透射相位分布和所述目标反射相位分布，对若干候选微纳结构进行筛选，得到目标微纳结构；

排列多个所述目标微纳结构，形成光学加密结构。

本申请提供的设计方法通过根据第一目标图像和第二目标图像确定的目标反射相位分布和目标透射相位分布，筛选满足要求微纳结构排列形成光学加密结构，使得光学加密结构可以同时对透射光场和反射光场进行光学加密，以实现低成本、高度集成和多方向的光学加密方法。

进一步地，获取所述光学加密结构反射光源的光线得到的反射图像和透射所述光源的光线得到的透射图像；

若所述反射图像与所述第一目标图像不一致和/或所述透射图像与所述第二目标图像不一致，根据所述目标透射相位分布和所述目标反射相位分布，重新对若干所述候选微纳结构进行筛选，获得所述目标微纳结构。

进一步地，所述根据所述目标透射相位分布和所述目标反射相位分布，对若干候选微纳结构进行筛选，得到目标微纳结构包括：

根据所述候选微纳结构的参数信息，确定所述候选微纳结构的反射相位分和透射相位分布；

筛选所述反射相位分布等于所述目标反射相位分布，且所述透射相位分布等于所述目标透射相位分布的所述候选微纳结构，作为所述目标微纳结构。

进一步地，所述根据所述候选微纳结构的参数信息，获得所述候选微纳结构的反射相位分和透射相位分布包括：

根据所述候选微纳结构的所述参数信息，确定所述候选微纳结构的透射强度和所述透射相位分布；

根据所述透射强度，确定所述候选微纳结构的所述反射相位分布。

进一步地，所述候选微纳结构的所述反射相位分布根据以下关系式确定：

其中，为所述反射相位分布，T为所述透射强度。

进一步地，所述参数信息包括所述候选微纳结构的材料、旋转角度、形状、长度、宽度和高度中的至少一种。

本申请的另一个方面提供一种光学加密系统，包括：

光源；

成像组件，包括相对设置的反射成像面和透射成像面；

上述任一项所述的光学加密结构，所述反射成像面和所述透射成像面设于所述光学加密结构的相对两侧，所述光学加密结构用于接收所述光源发出的入射光，将至少部分所述入射光反射至所述反射成像面，并将至少部分所述入射光透射至所述透射成像面，所述反射成像面用于形成第一目标图像，所述透射成像面用于形成第二目标图像，其中，所述第一目标图像和所述第二目标图像均为所述入射光解密后的图像。

进一步地，所述光学加密结构包括超表面，所述超表面包括基底和设于所述基底上的若干微纳结构，所述微纳结构设于所述基底朝向所述光源的一侧。

进一步地，所述微纳结构的吸收强度等于0。

进一步地，所述光学加密结构、所述反射成像面和所述透射成像面平行设置。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1所示为本申请光学加密系统一实施例的原理图；

图2所示为本申请设计方法一实施例的流程图；

图3所示为本申请设计方法另一实施例的流程图；

图4所示为本申请设计方法又一实施例的流程图；

图5所示为本申请设计方法又一实施例的流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示至少两个。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

本申请实施例的设计方法，用于设计光学加密结构的微纳结构，设计方法包括：获取待加密的第一目标图像和第二目标图像；确定第一目标图像的相位分布，作为目标反射相位分布，且确定第二目标图像的相位分布，作为目标透射相位分布；根据目标透射相位分布和目标反射相位分布，对若干候选微纳结构进行筛选，得到目标微纳结构；排列多个目标微纳结构，形成光学加密结构。

本申请实施例的设计方法通过根据第一目标图像和第二目标图像确定的目标反射相位分布和目标透射相位分布，筛选满足要求微纳结构排列形成光学加密结构，使光学加密结构可以同时对透射光场和反射光场进行光学加密，实现低成本、高度集成和多方向的光学加密方法。

本申请实施例的光学加密系统包括光源、成像组件和光学加密结构。成像组件包括相对设置的反射成像面和透射成像面。反射成像面和透射成像面设于光学加密结构的相对两侧。光学加密结构用于接收光源发出的入射光，将至少部分入射光反射至反射成像面，并将至少部分入射光透射至透射成像面，反射成像面用于形成第一目标图像，透射成像面用于形成第二目标图像，其中，第一目标图像和第二目标图像均为入射光解密后的图像。

下面结合附图，对本申请的设计方法和光学加密系统进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

图1所示为本申请光学加密系统1一实施例的原理图。本申请实施例的光学加密系统1包括光源100、成像组件和光学加密结构400。其中，成像组件包括相对设置的反射成像面200和透射成像面300，且反射成像面200和透射成像面300设于光学加密结构400的相对两侧。具体地，光学加密结构400用于接收光源100发出的入射光，将至少部分入射光反射至反射成像面200，并将至少部分入射光透射至透射成像面300。反射成像面200用于形成第一目标图像，透射成像面300用于形成第二目标图像。其中，第一目标图像和第二目标图像均为入射光解密后的图像。本申请实施例的光学加密系统1可以同时对透射光场和反射光场进行光学加密，提高光学加密的效率和光学加密的集成度。

在一些实施例中，光学加密结构400包括超表面。超表面是一种二维材料，可灵活调控入射光的振幅、相位和偏振等参数，具有精确控制入射光的能力；且超表面所需材料少、体积小。在一些实施例中，超表面包括基底和设于基底上的若干微纳结构，微纳结构设于基底朝向光源100的一侧，即微纳结构位于光源100的一侧，若干微纳结构经过一定的排列以形成超表面。可选地，微纳结构的材料包括硅，可以包括晶体硅和非晶硅；微纳结构的材料还可以包括金属材料，可以包括金和银。当然，微纳结构的材料还可以包括其他材料，不再赘述。在一些实施例中，微纳结构的材料包括不吸收光和对光吸收能力较弱的材料，此时，微纳结构的吸收强度等于0。在一些实施例中，基底的材料包括二氧化硅或其他材料。

可选地，光源100的工作波长可以包括1064nm和1550nm，本申请在此不作限制。光源100和光学加密结构400之间的距离可以根据光源100和光学加密结构400的性质确定。在一些实施例中，光源100发出的入射光和光学加密结构400的轴线的夹角范围为0°~90°。在一些实施例中，光源100发出的入射光和光学加密结构400的轴线的夹角为0°，即入射光的入射角为0°，入射光垂直入射至光学加密结构400，其中，一部分光透过光学加密结构400，一部分光被光学加密结构反射。在上述实施例的基础上，光学加密结构400、反射成像面200和透射成像面300平行设置，如此，第一目标图像和第二目标图像的成像效果更好。在另一些实施例中，光源100发出的入射光和光学加密结构400的轴线的夹角包括30°、45°、60°或其他角度。在一些实施例中，光学加密系统1还可以包括空间光调制器，可以调制光源100发出的入射光。

在一些实施例中，反射成像面200呈无其他图像的白色平面，如此可以一定程度上降低反射成像面200对第一目标图像的成像效果的干扰。可选地，反射成像面200可以是白色纸张。可以理解的，反射成像面200的面积可以较大，以保证入射光经光学加密结构400反射后能够在反射成像面200上形成第一目标图像。反射成像面200和光学加密结构400之间的距离可以根据第一目标图像的成像效果调整，以保证较佳的第一目标图像的成像效果。在一些实施例中，透射成像面300呈无其他图像的白色平面，如此一定程度上降低透射成像面300对第二目标图像的成像效果的干扰。可选地，透射成像面300可以是白色纸张。可以理解的，透射成像面300的面积可以较大，以保证入射光经光学加密结构400透射后能够在透射成像面300上形成第二目标图像。透射成像面300和光学加密结构400之间的距离可以根据第二目标图像的成像效果调整，以保证较佳的第一目标图像的成像效果。

图2所示为本申请设计方法一实施例的流程图。本申请实施例的设计方法用于设计光学加密结构400的微纳结构，设计方法包括步骤S100至S400：

在步骤S100中，获取待加密的第一目标图像和第二目标图像。

在步骤S200中，确定第一目标图像的相位分布，作为目标反射相位分布，且确定第二目标图像的相位分布，作为目标透射相位分布。

在步骤S300中，根据目标透射相位分布和目标反射相位分布，对若干候选微纳结构进行筛选，得到目标微纳结构。

在步骤S400中，排列多个目标微纳结构，形成光学加密结构400。

本申请实施例的设计方法通过根据第一目标图像和第二目标图像确定的目标反射相位分布和目标透射相位分布，筛选满足要求的微纳结构排列形成光学加密结构400，使光学加密结构400可以同时对透射光场和反射光场进行光学加密，以实现低成本、高度集成和多方向的光学加密方法。

可以理解的，第一目标图像和第二目标图像为待加密的图像。第一目标图像和第二目标图像可以是任意二维图像。在一些实施例中，第一目标图像可以包括数字、字母、中文字符、二维码和其他图像。在一些实施例中，第二目标图像可以包括数字、字母、中文字符、二维码和其他图像。可以理解的，第一目标图像和第二目标图像可以是非关联图像，也可以是关联图像，如第一目标图像为第二目标图像的干扰图像，本申请不作限制。

需要说明的，目标微纳结构的反射相位分布需要满足目标反射相位分布的要求，目标微纳结构的透射相位分布需要满足目标透射相位分布的要求。在一些实施例中，目标反射相位分布和目标透射相位分布均为具体数值。

在一些实施例中，可以根据光学全息傅里叶变换确定第一目标图像的相位分布和第二目标图像的相位分布。在另一些实施例中，可以根据Gerchberg-Saxton算法确定第一目标图像的相位分布和第二目标图像的相位分布。当然，也可以根据其他算法确定第一目标图像的相位分布和第二目标图像的相位分布，不再赘述。需要说明的，目标微纳结构的数量可以根据筛选的范围要求确定。

图3所示为本申请设计方法另一实施例的流程图。在一些实施例中，本申请实施例的设计方法还可以包括步骤S500和S600：

在步骤S500中，获取光学加密结构400反射光源100的光线得到的反射图像和透射光源100的光线得到的透射图像。

在一些实施例中，可以通过仿真软件获取光学加密结构400反射光源100的光线得到的反射图像和透射光源100的光线得到的透射图像。可选地，仿真软件包括Matlab、FDTD软件（Lumerical FDTD Solutions）和其他光学仿真软件。

在步骤S600中，若反射图像与第一目标图像不一致和/或透射图像与第二目标图像不一致，根据目标透射相位分布和目标反射相位分布，重新对若干候选微纳结构进行筛选，获得目标微纳结构。

在一些实施例中，可以通过观察判断反射图像与第一目标图像是否一致以及透射图像与第二目标图像是否一致。

在一些实施例中，本申请实施例的设计方法还可以包括步骤S700：

在步骤S700中，确定光学加密结构400，作为目标光学加密结构。

需要说明的，目标光学加密结构为通过本申请一实施例的设计方法得到的、且解密后的图像为第一目标图像和第二目标图像的光学加密结构400。

图4所示为本申请设计方法又一实施例的流程图。在一些实施例中，步骤S300可以包括步骤S310和步骤S320：

在步骤S310中，根据候选微纳结构的参数信息，确定候选微纳结构的反射相位分和透射相位分布。

在步骤S320中，筛选反射相位分布等于目标反射相位分布，且透射相位分布等于目标透射相位分布的候选微纳结构，作为目标微纳结构。

在一些实施例中，参数信息包括候选微纳结构的材料、旋转角度、形状、长度、宽度和高度中的至少一种。可以理解的，参数信息会影响候选微纳结构的性质，进而影响光学加密结构400加密的目标图像。需要说明的，候选微纳结构的材料包括非金属材料和金属材料，非金属材料包括硅，可以是晶体硅、非晶硅或其他非金属材料；金属材料可以包括金、银或其他金属材料。候选微纳结构的旋转角度是候选微纳结构在基底所在的平面上与X轴或Y轴之间的夹角。候选微纳结构可以是柱状结构，包括圆柱状结构和方柱状结构。在候选微纳结构包括方柱状结构的实施例的基础上，候选微纳结构的长度为候选微纳结构在基底所在的平面上的X轴方向上的长度，候选微纳结构的宽度为候选微纳结构在基底所在的平面上的Y轴方向上的宽度，候选微纳结构的高度为候选微纳结构垂直于基底所在的平面的Z轴方向上的高度。在一些实施例中，候选微纳结构的高度一定，其高度可以是800nm，选取不同的候选微纳结构的长度、宽度和旋转角度，确定候选微纳结构在不同条件下的透射强度和透射相位分布。可以理解的，可以选取上述参数信息中的至少一个作为变量，其他参数作为常量，以确定候选微纳结构的透射强度和透射相位分布。如此，可以提高光学加密结构400设计的灵活性。

图5所示为本申请设计方法又一实施例的流程图。在一些实施例中，步骤S310可以包括步骤S311和步骤S312：

在步骤S311中，根据候选微纳结构的参数信息，确定候选微纳结构的透射强度和透射相位分布。

在步骤S312中，根据透射强度，确定候选微纳结构的反射相位分布。

在一些实施例中，可以通过仿真软件确定透射强度和透射相位分布。可选地，仿真软件包括Matlab、FDTD软件（Lumerical FDTD Solutions）和其他光学仿真软件。

在一些实施例中，候选微纳结构可以包括不吸收光或对光吸收能力较弱的材料。当入射光入射到不同光学加密结构400的交界面上，透射电场、反射电场和吸收强度之间满足以下关系式：

其中，表示透射电场/>，/>表示反射电场/>，A表示光学加密结构400的吸收强度。

当候选微纳结构不吸收光或对光吸收能力较弱时，吸收强度A接近0。上述关系式可简化为以下关系式：

当电磁波入射到不同光学加密结构400的交界面时，分界面两侧电场强度的切向分量是连续的。根据上述原理，可以得到以下关系式：

化简上述两关系式，可得到以下关系式：

其中，，/>表示反射电场的振幅。

在一些实施例中，根据上述关系式，候选微纳结构的反射相位分布可以根据以下关系式确定：

其中，为反射相位分布，T为透射强度。

从上述关系式可以得出，反射相位分布由电磁波经过光学加密结构400的透射强度决定。可以理解的，通过调控构成光学加密结构400的微纳结构的透射强度，以实现对反射相位分布的调控，可以同时实现透射式和反射式光学加密效果，进一步增强信息传输的安全性。

对于方法实施例而言，由于其基本对应于装置实施例，所以相关之处参见装置实施例的部分说明即可。方法实施例和装置实施例互为补充。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种设计方法，用于设计光学加密结构的微纳结构，其特征在于，所述设计方法包括：

获取待加密的第一目标图像和第二目标图像；

确定所述第一目标图像的相位分布，作为目标反射相位分布，且确定所述第二目标图像的相位分布，作为目标透射相位分布；

根据候选微纳结构的参数信息，确定所述候选微纳结构的透射强度和所述透射相位分布；

根据所述透射强度，确定所述候选微纳结构的所述反射相位分布，其中，所述候选微纳结构的所述反射相位分布根据以下关系式确定：

其中，为所述反射相位分布，T为所述透射强度；

筛选所述反射相位分布等于所述目标反射相位分布，且所述透射相位分布等于所述目标透射相位分布的所述候选微纳结构，作为所述目标微纳结构；

排列多个所述目标微纳结构，形成光学加密结构。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，还包括：

获取所述光学加密结构反射光源的光线得到的反射图像和透射所述光源的光线得到的透射图像；

若所述反射图像与所述第一目标图像不一致和/或所述透射图像与所述第二目标图像不一致，根据所述目标透射相位分布和所述目标反射相位分布，重新对若干所述候选微纳结构进行筛选，获得所述目标微纳结构。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述参数信息包括所述候选微纳结构的材料、旋转角度、形状、长度、宽度和高度中的至少一种。

4.一种光学加密系统，其特征在于，包括：

光源；

成像组件，包括相对设置的反射成像面和透射成像面；及

通过如权利要求1-3中任一项所述的设计方法得到的光学加密结构，所述反射成像面和所述透射成像面设于所述光学加密结构的相对两侧，所述光学加密结构用于接收所述光源发出的入射光，将至少部分所述入射光反射至所述反射成像面，并将至少部分所述入射光透射至所述透射成像面，所述反射成像面用于形成第一目标图像，所述透射成像面用于形成第二目标图像，其中，所述第一目标图像和所述第二目标图像均为所述入射光解密后的图像。

5.根据权利要求4所述的光学加密系统，其特征在于，所述光学加密结构包括超表面，所述超表面包括基底和设于所述基底上的若干微纳结构，所述微纳结构设于所述基底朝向所述光源的一侧。

6.根据权利要求4所述的光学加密系统，其特征在于，所述光学加密结构、所述反射成像面和所述透射成像面平行设置。