專利名稱：利用光偏振態進行多重圖像加密的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學圖像加密，特別是一種利用光偏振態進行多重光學圖像加密的方法和裝置。
背景技術：
光學安全技術的發展經歷了一個很長的時間，最初是將水印和凹版印刷技術應用于貨幣的防偽。但是，隨著計算機技術的發展和光探測器CCD的普遍應用，普通的全息圖被仿制的現象越來越嚴重。因此，這種防偽技術失去了防偽和保密功能，給一些企業、銀行和個人帶來了很大的經濟損失。利用光學信息處理技術的圖像加密技術由于其高處理速度、高并行性、高加密維度以及大空間帶寬等各方面的優點，在信息安全領域顯示出巨大的應用價值。
利用雙隨機相位板加密光學圖像信息，已有技術文獻[P.Refregier，B.Javidi.Optical image encryption based on input plane and Fourier plane randomencoding[J].Opt.Lett.，1995，20(7)767-769]報道，可以將原始圖像加密成統計無關的白噪聲。在這個加密系統中，采用了一個標準的4f光學處理系統。兩塊隨機相位板分別被放置在輸入面和頻譜面，待加密的原始圖像緊貼輸入面的隨機相位板上。在相干光源的照射下，在輸出面將得到加密后的圖像信息。此加密后的圖像信息可以記錄或者進行光路傳輸。解密過程同樣采用4f光學處理系統，在頻譜面放置加密時的共軛相位板，在輸出面利用光探測器CCD得到原始的實圖像信息。
在此基礎上，人們又研究和提出了聯合變換相關加密技術。它是將待加密的圖像與隨機相位板并排放置在輸入面，在頻譜面得到加密后的圖像信息。解密過程采用同一塊相位板，在輸出面的特定位置得到解密圖像。但是，這種加密技術在解密過程中仍然采用了4f光學處理系統，對解密相位板有很高的定位要求。而且，只能進行單幅圖像的加密和解密操作。
為了改進光學圖像加密技術，又提出了其他的加密方法，如全相位加密、分數傅里葉變換加密及菲涅爾域的光學圖像加密等等。這些技術采用光折變晶體來存儲加密后的圖像信息。解密時利用光折變晶體產生的共軛光，從而簡化了解密裝置。但是，這些加密技術都只對一幅或者幾幅圖像進行加密。而多重圖像加密是光學圖像加密的一個發展方向，實現對多重圖像的加密存儲，對加密系統有重要的實際意義。
目前對多重圖像的加密存儲，有利用波長、位移及角度等方法。采用不同波長實現多重圖像的加密，是對不同的原圖像采用不同的波長進行加密，解密時以相應的波長得到相應的解密圖像。但是這種方法對于大量的圖像存儲會產生背景噪聲，影響解密圖像的質量。
利用隨機相位板位移的多重加密技術，是采用傳統的雙隨機相位編碼加密系統。由于該系統對其系統中的元件位置有嚴格的要求，當系統中元件有位移時，解密圖像迅速退化。因此，加密和解密時的密匙位置必須嚴格匹配才能得到解密圖像。人們正是利用系統對元件位置的敏感性來實現圖像多重加密的。
目前的許多光學圖像加密系統，都采用光折變晶體來記錄加密圖像，因為光折變晶體的存儲容量大并且可以產生加密圖像的共軛光，有利于圖像的解密。因此，人們利用光折變晶體旋轉一定的角度來實現多重圖像的加密。也就是對不同圖像，記錄在不同旋轉角的晶體中，用這種方法可以得到清晰的解密圖像質量。
但是，在上述的幾種多重圖像加密技術中，由于激光器的波長不是連續可調的，利用波長進行多重圖像加密，在實用中存在一定的局限性。利用隨機相位模板的位移和記錄晶體的旋轉來實現的多重圖像加密，對于它們在解密時位置精度的要求非常高，不利于實際的應用。因此，如何實現快速有效的多重圖像加密是一個需要解決的重要的技術問題。

發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種利用光偏振態進行多重圖像加密的方法和裝置。該多重圖像加密不用改變激光源波長，也不用對系統元件進行機械移動，就能夠快速地實現對多重圖像的加密。
本發明的技術解決方案如下一種利用光偏振態進行多重圖像加密的方法，該方法包括下列步驟(一)加密①將原始二值強度圖像信息通過二值偏振態生成器，生成相應的二值偏振態圖像信息，輸入到加密裝置的輸入面；②將激光器發出的光經過一擴束鏡進行擴束后，通過所述的加密裝置的輸入面，與所述的二值偏振態圖像信息相互作用，生成攜帶有二值偏振態圖像信息的線偏振光；③當該攜帶有二值偏振態圖像信息的線偏光傳播到第一空間光調制器時，被該第一空間光調制器具有的空間調制函數所調制，使二值偏振態圖像信息的線偏振光中每一個像素的光的偏振態成為隨機狀態，即隨機偏振光從輸出面輸出，進行存儲或者進入光路傳輸；(二)解密④當攜帶有二值偏振態圖像信息的隨機偏振光傳輸并經解密裝置進入第二空間光調制器時，被該第二空間光調制器具有的空間調制函數解調，按與第一空間光調制器加密時相反的時間和空間函數關系調制每個像素的偏振態，使之恢復為二值偏振態圖像信息的線偏振光；⑤該二值偏振態圖像信息的線偏振光通過一檢偏器，獲得二值強度圖像信息，用一光探測器讀取其強度圖。
一種實施上述方法的多重圖像加密裝置，包括一光學圖像加密裝置和一光學圖像解密裝置，其特征在于所述的光學圖像加密裝置的構成包括第一激光器，沿該第一激光器的激光輸出方向依次是第一擴束鏡、原始圖像輸入面、第一空間光調制器和加密圖像輸出面，所述的原始圖像輸入面就是所述的二值偏振態圖像信息的輸入面；所述的光學圖像解密裝置的構成包括第二激光器，沿該第二激光器激光傳播方向依次為第二擴束器、解密裝置輸入面、第二空間光調制器、透鏡、檢偏器和光探測器，所述的檢偏器與所述的二值偏振態生成器的偏振態相對應；所述的第一空間光調制器和第二空間光調制器具有相同的結構，但對光偏振態的調制函數互為逆函數，這兩個空間光調制器的調制函數的時間和空間函數關系都由計算機進行控制，所述的光探測器亦由所述的計算機控制并與所述的第二空間光調制器同步工作。
所述的光探測器為CCD探測器。
所述的二值偏振態圖像信息的線偏光的偏振狀態分別為與水平方向成45°或135°兩個方向的偏振狀態。
所述的空間光調制器為電尋址控制空間光調制器，或光尋址控制空間光調制器。電尋址控制空間光調制器是利用電信號控制光學圖像的每個像素的相位延遲，即控制通過該空間光調制器上各像素的相干光的偏振態。光尋址控制空間光調制器，即利用光信號來控制光學圖像的每個像素的偏振態。
本發明的優點系統結構簡單，可快速的實現多重圖像加密，而不僅僅局限于對單幅光學圖像的操作。光學圖像加密系統的安全性高，利用光偏振態的調制來加密多重光學圖像信息，即對不同的光學圖像采用不同的偏振態來調制加密，提高了系統的安全性。


圖1是本發明多重圖像加密裝置的光學加密裝置實施例的結構示意圖。
圖2是本發明多重圖像加密裝置的光學解密裝置實施例的結構示意圖。
圖3是二值圖像變為相應二值偏振態圖像信息的示意圖。
圖4是線偏光經過空間光調制器后偏振態變化的示意圖。
圖中101-第一激光器，102-第二激光器，201-第一擴束鏡，202-第一擴束鏡，3、4-反射鏡，5-加密裝置原始圖像輸入面，6-第一空間光調制器，7-加密圖像輸出面，8-解密裝置輸入面，9-第二空間光調制器，10-透鏡，11-檢偏器，12-光探測器CCD，13-計算機具體實施方式
下面結合附圖對本發明進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。
先請參閱圖1和圖2，圖1和圖2分別是本發明多重圖像加密裝置的實施例的光學加密裝置結構示意圖和光學解密裝置實施例的結構示意圖。由圖可見，本發明多重圖像加密裝置包括一光學圖像加密裝置和一光學圖像解密裝置，其特征在于所述的光學圖像加密裝置的構成包括第一激光器101，沿該第一激光器101的激光輸出方向依次是第一擴束鏡201、原始圖像輸入面5、第一空間光調制器6和加密圖像輸出面7，所述的原始圖像輸入面5就是所述的二值偏振態圖像信息的輸入面；所述的光學圖像解密裝置的構成包括第二激光器102，沿該第二激光器102激光傳播方向依次為第二擴束鏡202、解密裝置輸入面8、第二空間光調制器9、透鏡10、檢偏器11和光探測器12，所述的檢偏器11與二值偏振態生成器的偏振態相對應；所述的第一空間光調制器6和第二空間光調制器9具有相同的結構，但對光偏振態的調制函數是互逆函數，這兩個空間光調制器的調制函數的時間和空間函數關系都由計算機13進行控制，所述的光探測器12亦由計算機13控制并與所述的第二空間光調制器9同步工作。
本實施例的第一空間光調制器6和第二空間光調制器9具有相同的結構，但對光偏振態的調制函數是互逆的，這兩個空間光調制器的調制函數可以通過計算機13進行同步控制。所述的第一激光器101與第二激光器102相同，所述的第一擴束鏡201與第二擴束鏡202相同。所述的光探測器12為CCD探測器。所述的空間光調制器為電尋址控制空間光調制器。
在本實施例的加密過程中，在加密裝置圖像輸入面5的原始圖像信息是二值偏振態圖像信息，它是由二值強度圖像信息通過二值偏振態生成器生成的，將二值強度圖像信息變成相應的二值偏振態圖像，如圖3所示。圖3上半部是二值強度圖像信息，下半部是二值偏振態圖像信息，當激光經過該二值偏振態圖像信息后，其偏振狀態分別變為與水平方向成45°和135°兩個不同的方向。所述的第一空間光調制器6和第二空間光調制器9，采用holoeye公司的液晶空間光調制器LC-2002，該空間光調制器采用電尋址，對通過它的光的偏振態進行調制，其調制過程由計算機13以一定的時間和空間函數關系來控制。
多重圖像加密裝置實施例的工作過程是第一激光器101發出的激光首先用第一擴束鏡201進行擴束，擴束后光束的大小與輸入圖像信息面5的大小相匹配為宜。圖中3、4是兩塊用于改變光路的全反射鏡，對于本發明并非必要的，只是用于改變光路的方向。擴束后的光束通過原始圖像的信息面5后，成為攜帶有二值偏振態圖像信息的線偏光。當該線偏光傳播到第一空間光調制器6時，被該第一空間光調制器6所具有的空間調制函數調節，使調制后的圖像信息的每個像素的偏振態成隨機變化，偏振態調制過程如圖4所示。圖中a是攜帶二值偏振態圖像信息的線偏光的偏振態，b是第一空間光調制器對其各像素的調制函數，c是二值偏振態圖像信息的線偏光的偏振態被第一空間光調制器調制后的偏振態，呈隨機狀態。被調制后的圖像信息作為加密后的圖像在加密裝置輸出面7輸出，該加密后的圖像可以進行存儲或者光路傳輸。
加密后圖像的解密過程是原始圖像信息的恢復過程。在光學解密裝置中，我們利用一檢偏器11獲取原始圖像的強度信息，值得注意的是該檢偏器11的檢偏方向要與所述的二值偏振態圖像信息的線偏光的偏振態的偏振方向相同。第二空間光調制器9對加密圖像進行解密調制時，其調制的函數關系是由計算機13來同步控制的。對于多重圖像加密，由于不同的原始圖像以不同的偏振態調制加密，因此也需要相應的不同的偏振態調制來進行解密。解密時，加密后的圖像在解密裝置輸入面8輸入，當傳播到第二空間光調制器9時，被該第二空間光調制器9按與加密時相反的函數關系，調制其每個像素的偏振態，從而使加密后的光的偏振態恢復到原來二值偏振態圖像信息的線偏光的線偏振態，通過透鏡10，經檢偏器11進行對原始圖像信息的檢偏，以獲得原始圖像的強度信息，再用光探測器CCD12讀取其強度圖。整個過程由計算機13控制。
權利要求
1.一種利用光偏振態進行多重圖像加密的方法，其特征在于該方法包括下列步驟(1)加密①將原始二值強度圖像信息通過二值偏振態生成器，生成相應的二值偏振態圖像信息，輸入到加密裝置的輸入面；②將激光器發出的光經過一擴束鏡進行擴束后，通過所述的加密裝置的輸入面，與所述的二值偏振態圖像信息相互作用，成為攜帶有二值偏振態圖像信息的線偏振光；③當該攜帶有二值偏振態圖像信息的線偏光傳播到第一空間光調制器時，被該第一空間光調制器具有的空間調制函數所調制，使二值偏振態圖像信息的線偏振光中每一個像素的光的偏振態成為隨機狀態，即隨機偏振光從輸出面輸出，進行存儲或者進入光路傳輸；(2)解密④當攜帶有二值偏振態圖像信息的隨機偏振光傳輸經解密裝置進入第二空間光調制器時，被該第二空間光調制器具有的空間調制函數解調，按與第一空間光調制器加密時相反的時間和空間函數關系調制每個像素的偏振態，使之恢復為二值偏振態圖像信息的線偏振光；⑤該二值偏振態圖像信息的線偏振光通過一檢偏器，獲得原始的二值強度圖像信息，用一光探測器讀取其強度圖。
2.一種實施權利要求1所述方法的多重圖像加密裝置，包括一光學圖像加密裝置和一光學圖像解密裝置，其特征在于所述的光學圖像加密裝置的構成包括第一激光器(101)，沿該第一激光器(101)的激光輸出方向依次是第一擴束鏡(201)、原始圖像輸入面(5)、第一空間光調制器(6)和加密圖像輸出面(7)，所述的原始圖像輸入面(5)就是所述的二值偏振態圖像信息的輸入面；所述的光學圖像解密裝置的構成包括第二激光器(102)，沿該第二激光器(102)激光傳播方向依次為第二擴束器(202)、解密裝置輸入面(8)、第二空間光調制器(9)、透鏡(10)、檢偏器(11)和光探測器(12)，所述的檢偏器(11)與二值偏振態生成器的偏振態相對應；所述的第一空間光調制器(6)和第二空間光調制器(9)具有相同的結構，但對光偏振態的調制函數互為逆函數，這兩個空間光調制器的調制函數的時間和空間函數關系都由計算機(13)進行同步控制，所述的光探測器(12)亦由計算機(13)控制與所述的第二空間光調制器(9)同步工作。
3.根據權利要求2所述的多重圖像加密裝置，其特征在于所述的光探測器(12)為CCD探測器。
4.根據權利要求2所述的多重圖像加密裝置，其特征在于所述的空間光調制器為電尋址控制空間光調制器，或光尋址控制空間光調制器。
5.根據權利要求2至4任一項所述的多重圖像加密裝置，其特征在于所述的原始二值偏振態圖像信息的線偏光的偏振狀態分別為與水平方向成45°或135°兩個方向的偏振狀態。
全文摘要
一種利用光偏振態進行多重圖像加密的方法和裝置，該方法的原理是利用空間光調制器的偏振態調制的隨機性和逆調制的可恢復性，圖像信息的二值偏振態的生成和檢偏。相應的多重圖像加密裝置，包括光學圖像加密裝置和光學圖像解密裝置，所述的光學圖像加密裝置的構成包括第一激光器，沿該第一激光器的激光輸出方向依次是第一擴束鏡、原始圖像輸入面、第一空間光調制器和加密圖像輸出面；所述的光學圖像解密裝置的構成包括第二激光器，沿該第二激光器激光傳播方向依次為第二擴束器、解密裝置輸入面、第二空間光調制器、透鏡、檢偏器和光探測器；所述的第一空間光調制器、第二空間光調制器和光探測器由計算機控制并同步工作。
文檔編號G09C5/00GK101086811SQ20071004086
公開日2007年12月12日 申請日期2007年5月18日 優先權日2007年5月18日
發明者顧唯兵, 何紅 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所