專利名稱：基于兩步相移干涉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于兩步正交相移干涉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)圖像加密裝置。
背景技術(shù)：
網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展使圖像內(nèi)容的安全問題日益嚴(yán)峻，圖像加密已成為保護(hù)圖像內(nèi)容安全的兩種有效手段之一。然而以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)密碼技術(shù)遇到了一些困難，這主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面一方面是安全性與速度的矛盾，即現(xiàn)有密碼體制安全性的提高是以降低對(duì)明密信息的處理速度為前提的；另一方面，海量信息與處理速度限制的困難，尤其在數(shù)字圖像加密和解密方面，圖像編碼所含的信息量很大，而現(xiàn)有密碼體制單位時(shí)間內(nèi)對(duì)明文信息的吞吐速率卻是有限制的。上世紀(jì)90年代以來，隨著傅里葉光學(xué)的發(fā)展，光信息處理引入到信息安全領(lǐng)域，與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)相比，光學(xué)信息處理系統(tǒng)恰恰在處理速度、并行性、加密維度等方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，光學(xué)加密為密碼學(xué)的研究和應(yīng)用開辟了一個(gè)全新的領(lǐng)域，受到信息安全領(lǐng)域的高度重視。自從1995年P(guān)hilippe Refregier和Bahram Jayidi提出雙隨機(jī)相位加密技術(shù)以來，越來越多的學(xué)者提出了許多改進(jìn)的方法。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，采用了傅里葉變換、菲涅爾變換、分?jǐn)?shù)傅里葉變換、小波變換、聯(lián)合變換相關(guān)器和干涉等；在加密方法方面，有雙隨機(jī)相位加密、相位恢復(fù)算法、像素置亂、衍射光學(xué)元件等；在記錄方式上，有齒化銀全息干板、光折變晶體、CCD等。眾所周知，基于相位恢復(fù)算法的加密系統(tǒng)靈活多樣，然而加密過程需要用計(jì)算機(jī)完成大量的迭代運(yùn)算，從而失去了光學(xué)加密系統(tǒng)處理速度的優(yōu)勢(shì)；分?jǐn)?shù)傅里葉變換作為經(jīng)典傅里葉變換在分?jǐn)?shù)級(jí)次上的推廣，它不僅在離散數(shù)值計(jì)算中建立了高效的快速算法，而且在光學(xué)上可利用透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)得以方面實(shí)現(xiàn)；至于現(xiàn)有的相移干涉光學(xué)加密技術(shù)一般采用四步或三步相移干涉。近些年提出的廣義兩步相移干涉方法，雖然相移的步長可以是O到π范圍內(nèi)的任意值，但需要記錄物光波和參考光波的強(qiáng)度，記錄次數(shù)便沒有減少。每幅原始圖像都需要加密到三幅以上的干涉圖中，從而加大了系統(tǒng)存儲(chǔ)量和傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實(shí)用新型目的在于提供一種基于兩步相移干涉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置。該方法成功地在僅僅記錄兩幅全息圖，并且不需要記錄物光波和參考光波的強(qiáng)度信息的前提下實(shí)現(xiàn)了圖像的加密和解密。所述的基于兩步相移干涉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，包括光學(xué)圖像加密裝置和光學(xué)圖像解密裝置，所述的光學(xué)圖像加密裝置包括氬離子激光器，通過該氬離子激光器激光輸出方向?yàn)榈谝话氩ㄆ?，通過第一半波片后的激光進(jìn)入第一分束棱鏡，所述的第一分束棱鏡將激光分成物光和參考光，沿物光方向依次設(shè)有第一擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置、第一反射鏡、空間光調(diào)制器、第一相位掩膜板、第一透鏡、第二相位掩膜板、第二透鏡；沿參考光方向、依次設(shè)有第二擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置、第二半波片、第二反射鏡、四分之一波片；所述的第二透鏡的物光和四分之一波片的參考光通過第二分束棱鏡在光探測(cè)器記錄平面相干涉，在所述光探測(cè)器記錄平面上記錄上述光場(chǎng)分布干涉的結(jié)果，本實(shí)用新型所述的光探測(cè)器是CCD，所述的CCD表示的是電荷稱合元件。[0006]所述的光學(xué)圖像解密裝置為一臺(tái)電腦，通過電腦解密上面所述加密的結(jié)果得到解密后的光場(chǎng)分布，所述的解密后的光場(chǎng)分布將呈現(xiàn)在電腦的顯示屏上。所述的基于兩步相移干涉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，所述的第一擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置和第二擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置均包括顯微物鏡和透鏡。所述的基于兩步相移干涉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，所述的氬離子激光器與第一分半波片之間可配合設(shè)置第三反射鏡。所述的基于兩步相移干涉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，所述的光探測(cè)器記錄平面為CCD記錄平面。所述的基于兩步相移干涉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，所述的空間光調(diào)制器為電尋址控制空間光調(diào)制器或光尋址控制空間光調(diào)制器。所述的基于兩步相移干涉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，所述的第一相位掩膜板緊貼著空間光調(diào)制器放置。所述的基于兩步相移干涉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，所述的第一透鏡和第二透鏡用于構(gòu)成分?jǐn)?shù)傅里葉變換透鏡組。所述的基于兩步相移干涉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，所述的四分之一波片用于參考光引入π/2相位。所述的基于兩步相移干涉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，所述的CCD記錄平面的干涉結(jié)果，可以由光探測(cè)器記錄后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。本實(shí)用新型的所述的基于兩步相移干涉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，存在如下有益效果I)操作方便，由于記錄次數(shù)的減少，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作步驟；2)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，降低了成本，本實(shí)用新型不需要記錄物光波和參考光波的強(qiáng)度信息，降低了計(jì)算量和存儲(chǔ)量，提高了信息的傳輸效率；3)適用范圍廣，由于CCD記錄方式的數(shù)字全息具有實(shí)時(shí)記錄、數(shù)字存儲(chǔ)和傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，解密再現(xiàn)可以是電子或光電方式，可以讓光學(xué)加密技術(shù)更好的與數(shù)字信號(hào)處理和通訊系統(tǒng)相兼容，而被廣泛應(yīng)用；4)操作靈活方面，分?jǐn)?shù)傅里葉變換作為經(jīng)典傅里葉變換在分?jǐn)?shù)級(jí)次上的推廣，它不僅在離散數(shù)值計(jì)算中建立了高效的快速算法，而且在光學(xué)上可利用透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)得以方面實(shí)現(xiàn)；5)安全性能高，本實(shí)用新型新增的分?jǐn)?shù)階次可以大大提高系統(tǒng)的安全性，即使是正確的相位掩膜板，但是位置稍微有些移動(dòng)，由于分?jǐn)?shù)傅里葉變換的平移可變性，不能解密出待加密圖像。

圖I為本實(shí)用新型的光學(xué)圖像加密裝置結(jié)構(gòu)示意圖。[0022]圖中I-氬離子激光器，2-第三反射鏡，3-第一半波片，4-第一分束棱鏡，5a-顯微物鏡，5b-透鏡，5-第二擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置，6-第二半波片，7-第二反射鏡，8-四分之一波片，9-第二分束棱鏡，10-第二透鏡，11-第二相位掩膜板，12-第一透鏡，13-第一相位掩膜板，14-空間光調(diào)制器,15-第一反射鏡，16a-顯微物鏡，16b-透鏡，16-第一擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置，17-光 探測(cè)器記錄平面，18-電腦。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合說明書附圖及對(duì)實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述如圖I所示的一種基于兩步相移干涉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，包括光學(xué)圖像加密裝置和光學(xué)圖像解密裝置，所述的光學(xué)圖像加密裝置包括氬離子激光器1，通過該IS離子激光器I激光輸出方向?yàn)榈谝话氩?,通過第一半波片3后的激光進(jìn)入第一分束棱鏡4，所述的第一分束棱鏡4將激光分成物光和參考光，沿物光方向依次設(shè)有第一擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置16、第一反射鏡15、空間光調(diào)制器14、第一相位掩膜板13、第一透鏡12、第二相位掩膜板11、第二透鏡10;沿參考光方向依次設(shè)有第二擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置5、第二半波片6、第二反射鏡
7、四分之一波片8 ;所述的第二透鏡10的物光和四分之一波片8的參考光通過第二分束棱鏡9，在光探測(cè)器記錄平面17相干涉，通過所述光探測(cè)器記錄上述光場(chǎng)分布干涉的結(jié)果，本實(shí)用新型所述的光探測(cè)器是CCD，所述的CCD表示的是電荷耦合元件；所述的第一擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置16和第二擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置5包括顯微物鏡16a，5a和透鏡16b，5b ;所述的光探測(cè)器記錄平面17中的光探測(cè)器為CCD ;所述的空間光調(diào)制器14為電尋址控制空間光調(diào)制器或光尋址控制空間光調(diào)制器。所述的光學(xué)圖像解密裝置為一臺(tái)電腦18，通過電腦18解密上面所述加密的結(jié)果得到解密后的光場(chǎng)分布，所述解密后的光場(chǎng)分布將呈現(xiàn)在電腦的顯示屏上；所述的氬離子激光器I與第一半波片3之間可配合設(shè)置第三反射鏡2，這里的反射鏡可以不加，作用是為了使光路折疊，節(jié)省空間，如果實(shí)驗(yàn)室空間足夠大也可以不加這個(gè)反射鏡。如圖I所示，加密過程中，氬離子激光器I發(fā)出的光，發(fā)出的激光的波長為515nm，通過該IS離子激光器I激光輸出方向?yàn)榈谝话氩?,通過第一半波片3后的激光進(jìn)入第一分束棱鏡4，經(jīng)過第一分束棱鏡4將激光分成物光和參考光，其中物光經(jīng)過第一擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置16進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的光依次經(jīng)過第一反射鏡15、空間光調(diào)制器14、第一相位掩膜板13、再經(jīng)過第一透鏡12進(jìn)行第一次分?jǐn)?shù)傅里葉變換后到達(dá)第二相位掩膜板11，然后再經(jīng)過第二透鏡10進(jìn)行第二次分?jǐn)?shù)傅里葉變換后通過第二分束棱鏡9與參考光同時(shí)聚集在光探測(cè)器記錄平面17 ;所述的空間光調(diào)制器14是用來顯示待加密圖片的，第一隨機(jī)相位板13和第二相位掩膜板11是使用DWL66激光直寫系統(tǒng)制作的，也可以使用位相型的空間光調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)，它的作用是改變輸入圖片的光場(chǎng)分布，使之均勻化和散亂化；另一束參考光經(jīng)過第二擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置5進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn)直后，準(zhǔn)直后的光依次經(jīng)過第二半波片6、第二反射鏡7、四分之一波片8、第二分束棱鏡9，然后到達(dá)光探測(cè)器記錄平面17與物光干涉，在保持加密過程中的各裝置位置不變地前提下，通過控制四分之一波片8的有無來分別記錄兩次干涉圖，所述的四分之一波片用于參考光引入η/2相位；解密過程中，把上述兩次干涉全息圖通過CCD傳入電腦，構(gòu)建一副復(fù)合全息圖，在參考強(qiáng)度達(dá)到一定值的前提下給出一系列強(qiáng)度值通過復(fù)合全息圖再現(xiàn)光波Εκ，同時(shí)通過Im直接再現(xiàn)的光波為Et，然后把Ek與Et相關(guān)峰的最大值相對(duì)應(yīng)的參考光波確定為最終實(shí)際再現(xiàn)的參考光，然后對(duì)復(fù)合全息圖在上面所述參考光的共軛光下進(jìn)行解密，然后我們?nèi)〗饷艿玫降膹?fù)振幅做相應(yīng)的分?jǐn)?shù)傅里葉逆變換，然后乘以第二相位掩膜板相位分布，再進(jìn)行一次相應(yīng)的分?jǐn)?shù)傅里葉逆變換，再乘以第一相位掩膜板相位分布，得到光場(chǎng)復(fù)振幅，便可把原始振幅圖像可顯示在電腦18屏幕上。本發(fā)明試驗(yàn)中采用的CCD光探測(cè)器為陜西維視公司生產(chǎn)的型號(hào)為MV-1300FC，像素?cái)?shù)為1280*1024，像素間隔為5. 2微米，使用的空間光調(diào)制器14為先共創(chuàng)光電生產(chǎn)的透射式振幅型空間光調(diào)制器，像素?cái)?shù)為1024*768，型號(hào)為GC-SLM-T-XGA，像素間隔為22微米。使用的透鏡為大恒新紀(jì)元公司生產(chǎn)的焦距為30cm和40cm等。本發(fā)明所述的構(gòu)建的一副復(fù)合全息圖，該全息圖用Hphs,其表不方法為Hphs =(im-io) +j (iH2 一 i0) = 2R*0，其中Ihi為第一幅干涉圖，Ih2為第二幅干涉圖，I0為零級(jí)光波或直流項(xiàng)。 本發(fā)明技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是操作方便，由于記錄次數(shù)的減少，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作步驟 ’另夕卜，不需要記錄物光波和參考光波的強(qiáng)度信息，降低了計(jì)算量和存儲(chǔ)量，提高了信息的傳輸效率，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，降低了成本；由于CCD記錄方式的數(shù)字全息具有實(shí)時(shí)記錄、數(shù)字存儲(chǔ)和傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，解密再現(xiàn)可以是電子或光電方式，可以讓光學(xué)加密技術(shù)更好的與數(shù)字信號(hào)處理和通訊系統(tǒng)相兼容，而被廣泛應(yīng)用；本實(shí)用新型在保持了雙隨機(jī)相位編碼方法安全性的同時(shí)，新增的分?jǐn)?shù)階次可以大大提高系統(tǒng)的安全性，即使是正確的相位掩膜板，但是位置稍微有些移動(dòng)，由于分?jǐn)?shù)傅里葉變換的平移可變性，不能解密出待加密圖像，而且分?jǐn)?shù)傅里葉變換作為經(jīng)典傅里葉變換在分?jǐn)?shù)級(jí)次上的推廣，它不僅在離散數(shù)值計(jì)算中建立了高效的快速算法，重要的是在光學(xué)上可利用透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)得以方面實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)采用的激光直寫系統(tǒng)刻蝕出來的相位掩膜板具有衍射效率高，相位調(diào)制量可控的優(yōu)點(diǎn)，做出來的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比現(xiàn)有的技術(shù)更好。
權(quán)利要求1.基于兩步相移干渉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，包括相互連接的光學(xué)圖像加密裝置和光學(xué)圖像解密裝置，其特征在于所述的光學(xué)圖像加密裝置包括氬離子激光器(I)，通過該IS離子激光器激光輸出方向依次連接有第一半波片(3),第一分束棱鏡(4),所述的第一分束棱鏡(4)將激光分成物光和參考光，沿物光方向依次設(shè)有第一擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置(16)、第一反射鏡(15)、空間光調(diào)制器(14)、第一相位掩膜板(13)、第一透鏡(12)、第二相位掩膜板(11)、第二透鏡(10);沿參考光方向依次設(shè)有第二擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置(5)、第二半波片(6)、第二反射鏡(7)、四分之一波片(8);所述的第二透鏡(10)的物光和四分之一波片(8)的參考光通過第二分束棱鏡(9)在光探測(cè)器記錄平面(17)相干渉，在所述光探測(cè)器記錄平面(17)上記錄上述光場(chǎng)分布干渉的結(jié)果，所述光探測(cè)器是CCD，所述的CCD表示為電荷耦合元件；所述的光學(xué)圖像解密裝置為一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)(18)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于兩步相移干渉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，其特征在于所述的第一擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置(16)和第二擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置(5)包括顯微物鏡(16a，5a)和透鏡(16b，5b)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于兩步相移干渉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，其特征在于所述的氬離子激光器(I)與第一分半波片(3)之間配合設(shè)置第三反射鏡(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于兩步相移干渉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，其特征在于所述的光探測(cè)器記錄平面(17)為CCD記錄平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于兩步相移干渉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，其特征在于所述的空間光調(diào)制器(14)為電尋址控制空間光調(diào)制器或光尋址控制空間光調(diào)制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于兩步相移干渉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，其特征在于所述的第一相位掩膜板(13)緊貼著空間光調(diào)制器(14)放置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于兩步相移干渉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，其特征在于所述的第一透鏡(12)和第二透鏡(10)用于構(gòu)成分?jǐn)?shù)傅里葉變換透鏡組。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于兩步相移干渉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，其特征在于所述的四分之一波片(8)用于參考光引入/2相位。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于兩步相移干渉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，其特征在于所述的光探測(cè)器記錄平面(17)的干涉結(jié)果，由光探測(cè)器記錄后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。
專利摘要一種基于兩步相移干涉與分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)加密裝置，屬于光學(xué)圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。它包括光學(xué)圖像加密裝置和光學(xué)圖像解密裝置。所述的光學(xué)圖像加密裝置包括氬離子激光器(1)，通過該氬離子激光器激光輸出方向依次連接有第一半波片(3)，第一分束棱鏡(4)，所述的第一分束棱鏡(4)將激光分成物光和參考光，沿物光方向依次設(shè)有第一擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置(16)、第一反射鏡(15)、空間光調(diào)制器(14)、第一相位掩膜板(13)、第一透鏡(12)、第二相位掩膜板(11)、第二透鏡(10)；沿參考光方向依次設(shè)有第二擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置(5)、第二半波片(6)、第二反射鏡(7)、四分之一波片(8)；所述的第二透鏡(10)的物光和四分之一波片(8)的參考光通過第二分束棱鏡(9)在光探測(cè)器記錄平面(17)相干涉，在所述光探測(cè)器記錄平面(17)上記錄上述光場(chǎng)分布干涉的結(jié)果，所述光探測(cè)器是CCD，所述的CCD表示為電荷耦合元件；所述的光學(xué)圖像解密裝置為一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)(18)。本實(shí)用新型不需要記錄物光波和參考光波的強(qiáng)度信息，降低了計(jì)算量和存儲(chǔ)量，提高了信息的傳輸效率，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，降低了成本。
文檔編號(hào)G06T1/00GK202372770SQ201120557229
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者劉健, 金偉民 申請(qǐng)人:浙江師范大學(xué)