一种基于小凹二重光学秘钥的光学信息安全系统的制作方法

1.本发明涉及光学仪器技术领域，具体涉及一种基于小凹二重光学秘钥的光学信息安全系统。


背景技术：

2.近年来，基于光学理论与方法的数据加密及信息隐藏技术是在国际上起步发展的新一代信息安全技术，采用该种技术的光学仪器被称为光学信息安全系统。
3.然而，目前的光学信息安全系统基本都以平行光束为信息载体，先要通过平行光束对事先生成的所要加密的图像进行照射，从而使平行光束携带有需要加密的明文信息，再利用光学加密系统对该部分平行光束携带的明文信息进行处理得到密文，导致光学成像系统无法直接成为光学信息安全系统的组成成分，极大影响了光学信息安全系统的实用性。同时，当前绝大多数的光学信息安全系统是对一整幅图像进行加密，这对于结合了数字计算的光学信息安全系统而言，无疑增加了其对计算机算力资源的需求，降低了系统的实时性。而对于剩余的少数可实现局部加密的光学信息安全系统，虽然其降低了系统的带宽要求，提高了系统的实时性，却也存在着局部加密区的面积、位置固定，数量单一，无法根据实际的加密需求，对同一幅图像中分布在不同区域、不同数量、不同面积的敏感信息进行并行加密的问题。
4.因此，目前亟需一种可以实现局部图像的二重加密的光学信息安全系统，能够在保证系统实时性和实用性的前提下，满足在同一幅图像中分布在不同区域、不同数量、不同面积的敏感信息进行并行加密的要求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于小凹二重光学秘钥的光学信息安全系统，能够实现局部图像的二重加密，且不需要平行光束作为待加密图像的信息载体。
6.为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：
7.一种基于小凹二重光学秘钥的光学信息安全系统，包括光学信息加密模块和光学信息解密模块。
8.光学信息加密模块由成像光学模块、第一加密空间光调制器、第一中继模块、第二加密空间光调制器、第二中继模块和加密光电探测器同轴依次放置构成。
9.光学信息解密模块由准直光源、第一解密空间光调制器、第二解密空间光调制器和解密光电探测器同轴依次放置构成。
10.光学信息加密模块中，第一加密空间光调制器位于成像光学模块的像面位置，图像光束通过第一加密空间光调制器，设置第一空间光调制分布函数对特定区域的图像光束进行相位调制，在需要加密的成像区域生成小凹区；第一中继模块对第一加密空间光调制器的输出像进行二次成像；第二加密空间光调制器位于二次像面位置，加密后的图像光束通过第二加密空间光调制器，设置第二空间光调制分布函数对特定区域的图像光束进行相
位调制，在需要加密的成像区域生成小凹区，经由小凹区的作用对需要加密的成像区域进行二次加密；第二中继模块对第二加密空间光调制器的输出像进行三次成像，并在加密光电探测器上形成最终像面；加密光电探测器与pc端连接，解密光电探测器与pc端连接。
11.pc端根据已知的第一空间光调制分布函数、第二空间光调制分布函数和小凹区的位置分布进行数学运算，得到综合加密秘钥并对其取逆，得到解密秘钥；第一解密空间光调制器用于强度调制，使照明光束成为待解密图像；第二解密空间光调制器用于加载解密秘钥，对待解密图像进行解密。
12.光学信息解密模块中，准直光源提供照明光束，第一解密空间光调制器根据加密光电探测器上的强度分布情况对照明光束进行强度调制，第二解密空间光调制器根据解密秘钥对调制后的照明光束进行相位调制，解密光电探测器接收解密后的照明光束形成的待解密图像，解密过程中，第二解密空间光调制器上生成的小凹区位置分布与二次加密后的小凹区位置分布相同。
13.进一步的，第一加密空间光调制器上的小凹区位置分布由第一空间光调制分布函数决定，第二加密空间光调制器上的小凹区位置分布由第二空间光调制分布函数决定。
14.进一步的，加密光电探测器放置在光学加密模块的像面处，解密光电探测器放置在光学解密模块的像面处。
15.进一步的，第一中继模块和第二中继模块为中继成像透镜组。
16.进一步的，基于小凹二重光学秘钥的光学信息安全系统不需要平行光束作为待加密图像的信息载体。
17.进一步的，准直光源提供照明光束，照明光束经两个凸透镜扩大口径，入射到第一解密空间光调制器上。
18.有益效果：本发明提供了一种基于小凹二重光学秘钥的光学信息安全系统，包括光学信息加密模块和光学信息解密模块，用于一般成像光学系统的光学信息加密，提高了光学信息安全系统的实用性。光学信息加密模块中，第一加密空间光调制器在需要加密的成像区域生成小凹区，第二加密空间光调制器经由小凹区的作用进行二次加密，其中小凹技术的引入，可实现对图像信息的局部及二重加密，提高了系统的灵活性、实时性及安全性。光学信息加密模块拥有自己的成像光学模块，摆脱了当前光学信息安全系统对于平行光束的依赖，增加了实用性。同时，局部加密的方式，也有利于提高系统的实时性。本发明通过空间光调制器的作用引入了小凹区实现了图像信息的加密，由于小凹区的位置和模式可控，对不同光区的光进行不同的加密，故本发明系统具有很大的密钥空间，可实现一次一密，以达到更高的安全性。
附图说明
19.图1为本发明系统结构示意图。
20.图2为光学信息加密系统结构示意图。
21.图3为光学信息解密系统结构示意图。
22.其中，1-成像光学模块，2-第一加密空间光调制器，3-第一中继模块，4-第二加密空间光调制器，5-第二中继模块，6-加密光电探测器，7-准直光源，8-第一解密空间光调制器，9-第二解密空间光调制器，10-解密光电探测器。
具体实施方式
23.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
24.如图1所示，本发明提供了一种基于小凹二重光学秘钥的光学信息安全系统，包括光学信息加密模块和光学信息解密模块，用于一般成像光学系统的光学信息加密，提高了光学信息安全系统的实用性。小凹技术的引入，可实现对图像信息的局部及二重加密，提高了系统的灵活性、实时性及安全性。
25.如图2所示，光学信息加密模块由成像光学模块1、第一加密空间光调制器2、第一中继模块3、第二加密空间光调制器4、第二中继模块5和加密光电探测器6同轴依次放置构成。加密光电探测器6放置在光学加密模块的像面处。第一中继模块3和第二中继模块5为中继成像透镜组。
26.成像光学模块1用于图像信息采集；第一加密空间光调制器2及第二加密空间光调制器4用于生成小凹区进行加密；第一中继模块3及第二中继模块5用于传递中间像；加密光电探测器6用于接收加密图像。
27.第一加密空间光调制器2位于成像光学模块1的像面位置，图像光束通过第一加密空间光调制器2，设置第一空间光调制分布函数对特定区域的图像光束进行相位调制，在需要加密的成像区域生成小凹区；第一中继模块3对第一加密空间光调制器2的输出像进行二次成像；第二加密空间光调制器4位于二次像面位置，加密后的图像光束通过第二加密空间光调制器4，设置第二空间光调制分布函数对特定区域的图像光束进行相位调制，在需要加密的成像区域生成小凹区，经由小凹区的作用对需要加密的成像区域进行二次加密；第二中继模块5对第二加密空间光调制器4的输出像进行三次成像，并在加密光电探测器6上形成最终像面；加密光电探测器6与pc端连接，待解密图像由加密光电探测器6进行接收并传输到pc端。pc端有现有的光学驱动软件，控制空间光调制器的成像，根据图像的强度分布(即灰度分布)，控制第一解密空间光调制器8的透过率，就可以令照明光束通过第一解密空间光调制器8后，强度分布与待解密图像一致。
28.pc端根据已知的第一空间光调制分布函数、第二空间光调制分布函数和小凹区的位置分布进行数学运算，得到综合加密秘钥并对其取逆，得到解密秘钥并加载到第二解密空间光调制器9上。具体的数学运算方法为：将特定的小凹区位置代入对应的空间调制分布函数，生成相位图，将两幅相位图做卷积运算，得到综合加密秘钥。
29.如图3所示，光学信息解密模块由准直光源7、第一解密空间光调制器8、第二解密空间光调制器9和解密光电探测器10同轴依次放置构成。准直光源7提供照明光束，pc端将加密光电探测器6上的强度分布加载到第一解密空间光调制器8上，使照明光束在经过第一解密空间光调制器8上时受到强度调制成为强度分布与光学信息加密模块最终像面强度分布一致的待解密图像。光学信息解密模块中，第一解密空间光调制器8根据加密光电探测器6上的强度分布对照明光束进行强度调制，第二解密空间光调制器9根据解密秘钥对调制后的照明光束进行相位调制，解密光电探测器10接收解密后的照明光束形成的图像，解密过程中，第二解密空间光调制器9上生成的小凹区位置分布与二次加密后的小凹区位置分布相同。
30.本发明实施例中，第一加密空间光调制器2上的小凹区位置分布由第一空间光调制分布函数决定，第二加密空间光调制器4上的小凹区位置分布由第二空间光调制分布函
数决定。
31.本发明系统的具体工作方式为：外界物体光线经过成像光学模块1后汇聚在放置在中间像位置的第一加密空间光调制器2上，第一加密空间光调制器2在需要加密的区域生成小凹区，引入像差对球面波波面进行调制，受调制球面波经由第一中继模块3进行二次成像，所成的二次像在第二加密空间光调制器4上，经由小凹区的作用，对图像实现二重局部加密，完成二重局部加密后，由第二中继模块5将发散的球面波再次汇聚到加密光电探测器6上，完成加密图像的获取过程。
32.由于在第一加密空间光调制器2与第二加密空间光调制器4上，对球面波进行调制时使用的加密密钥不同但调制过程相同，故此处原理部分只对第一加密空间光调制器2上的调制原理进行介绍。
33.本系统的加密过程为物面上的物点发出球面波经过成像光学模块1后，又以球面波的形式汇聚在一次像面上先成一次中间像。考虑到实际成像中含有像差，故此处为简化分析过程，将成像光学模块1等效成一个带像差的等效透镜，则其复振幅透过率为：
[0034][0035]
其中，(ξ,η)为透镜所处的坐标系，p(ξ,η)为光瞳函数，f为等效透镜焦距，w(ξ,η)为成像光学模块1像差引入的相位延迟函数。
[0036]
设物点所在坐标系为(x0,y0)，物面上的复振幅分布函数为u0(x0,y0)且其距离等效透镜的距离为d0,设一次像面所在坐标系为(x1,y1)，其上的复振幅分布函数为u1(x1,y1)且其距离等效透镜的距离为d1,利用菲涅尔衍射公式，建立u1(x1,y1)与u0(x0,y0)的对应关系，经过化简，可得到：
[0037][0038]
其中，为成像光学模块1等效透镜的放大倍数，h1(x1,y1)为的傅里叶变换，即含像差成像光学模块1的脉冲响应函数。
[0039]
因此，经过含像差的成像光学模块1后，本系统一次像面上的光场分布等价于几何光学理想像与系统脉冲响应的卷积。系统自身所带像差的作用方式为将系统的光瞳函数转化成复数域内的光瞳函数，并最终以系统脉冲响应函数的方式实现对入射光场复振幅分布的调制。
[0040]
由于本系统中所有的空间光调制器紧贴一次像面放置，故认为所有的空间光调制器对一次像面上的复振幅分布进行了点对点的调制，忽略空间光调制器的厚度。则经过空间光调制器的调制后，其输出光场的复振幅分布函数可表示为：
[0041]
u'1(x1,y1)＝u1(x1,y1)slm(x1,y1)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0042]
其中，slm(x1,y1)表示空间光调制器的调制分布函数，在该函数的作用下，系统一
次像面上的光场复振幅分布函数发生了变化，即实现了局部像差的引入过程。
[0043]
u1(x1,y1)受到空间光调制器调制后，在像差的作用下，以畸变球面波的形式经由加密系统中的中继模块在成像在二次像面上，再次利用菲涅尔衍射公式，可得到二次像面上的复振幅分布函数为：
[0044][0045]
其中，m2为后端系统的放大率，(x2,y2)为二次像面所在坐标系，h2为中继模块的脉冲响应函数。
[0046]
联立式(2)与(4)，整理可得：
[0047][0048]
因此，通过像差实现图像的加密，实质上是一个利用空间光调制器引入像差对后端系统脉冲响应函数进行控制，最终在像面上得到所需光场复振幅分布的过程。
[0049]
由于所有的空间光调制器可在其任意区域上生成特定的相位模式，故利用空间光调制器可在特定局部区域上生成小凹区，即不同的小凹区将会有不同的空间光调制器调制分布函数。空间光调制器调制分布函数的作用下，可实现球面波相位信息的修改，最终实现对球面波所携带图像信息进行模糊处理的目的。且在本系统中，使用空间光调制器对系统脉冲响应函数进行了二次控制，即实现本信息安全系统所提的二重光学密钥加密效果。
[0050]
由上述原理可知，本发明将一般成像系统作为光学信息安全系统的组成部分，摆脱了当前光学信息安全系统对于平行光束的依赖，增加了其实用性。同时，局部加密的方式，也有利于提高系统的实时性。本发明通过空间光调制器的作用引入了小凹区实现了图像信息的加密，该加密方法是对小凹技术的逆用。由于小凹区的位置和模式可控，对不同光区的光进行不同的加密，故本发明系统具有很大的密钥空间，可实现一次一密，以达到更高的安全性
[0051]
进行解密时，由于本系统采用了二次加密的过程，则需要在解密系统中的第二解密空间光调制器9上生成两种正确的小凹区，才能实现对图像的完全解密，否则，只能得到部分正确的图像或者完全错误的图像。
[0052]
在本发明实施例中，与现有的光学信息加密系统需以平行光为信息载体不同，本光学信息加密系统包含了成像系统，无需平行光生成器件，信息载体为非平行光，可广泛应用于激光通信、银行安全认证等领域。
[0053]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。