[发明专利]基于随机光场空间相干结构调控的光学加密系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于随机光场空间相干结构调控的光学加密系统及方法，该系统包括：光源组件和加密光路，光源组件包括激光器和线偏振片，加密光路中依次设置有第一凸透镜、随机相位屏、第二凸透镜，完全相干线偏振光经过待加密物体后入射至第一凸透镜，第一凸透镜将待加密物体的像投射至随机相位屏，随机相位屏将包含待加密物体的像的完全相干线偏振光转化成非相干线偏振光，第二凸透镜对非相干线偏振光进行分数阶傅里叶变换，将非相干线偏振光包含的光学信息加密。本发明是基于随机光场二阶统计特性调控的光学加密，安全性高，密文信息难以测量，对应解密方法新颖，无需测量密文，加密的光鲁棒性好，能在一定程度上克服湍流影响。

技术领域

本发明涉及光学加密技术领域，特别涉及一种基于随机光场空间相干结构调控的光学加密系统及方法。

背景技术

随着时代的进步，科技的发展，小到个人数据隐私，例如手机支付，大到国家的军事机密，各种信息安全的重要性越发地不可估量。在信息的传递过程中，我们往往需要对数据进行加密，从而确保信息的安全。加密技术繁多，其目的都是通过某种特殊的手段改变或掩盖原有的数据，使得未授权的用户即使获得了已加密的信息，但因不知道解密的方法，仍然无法获得原有的信息内容，从而保证信息安全传输。

光学加密技术是一种典型的信息加密方法，与传统方法相比，光学加密技术具有许多优势，例如：信息传输速率快，光场自由度多且易调控。在光学加密系统中，光的振幅、相位、波长、偏振态、甚至衍射距离等参数都能作为加密的载体。这有利于提高加密系统的安全性。光学加密中最为经典的是美国Connecticut大学的Réfrégier和Javidi教授提出的双随机相位加密。对于明文信息，即待加密信息，位于4F成像系统输入面，他们通过4F成像系统的输入面和频率面分别引入随机相位，在输出面得到加密图像，即密文信息。解密流程与加密流程恰好相反，当需要解密时，将加密光放置于4F系统的输入面，经过透镜的傅里叶变换之后，将加密秘钥的复共轭作为解密秘钥放置于4F系统的频率面。输出图像即为原加密图像与原4F系统输入面中加密秘钥的乘积，若原加密图像为正的实值图像，只需要对输出图像取模即可恢复原图像。若原加密图像为复值图像，那么输出图像需要利用原4F系统输入面中加密秘钥的复共轭才能恢复原图像信息。

由于双随机相位编码（DRPC）的发展，大量的光学信息加密的方案也被提出来。光学图像信息加密的研究主要是基于双随机相位编码的，印度理工学院的G. Unnikrishnan和K. Singh等人在2000年提出了分数傅里叶域中的双随机相位编码，中科院的张静娟教授提出的菲涅耳域的无透镜双随机相位编码。除此之外，还有多维随机相位编码等。最近，基于轨道角动量和偏振态的光学信息加密已经得到发展。

不过迄今为止，光学加密手段主要基于完全相干光的一阶场特性，如通过调控光场的相位、振幅以及偏振来实现的图像加密。而光场的一阶场特性在复杂环境传输过程中非常不稳定，容易受到干涉效应的影响，最终使得加载在一阶场特性中的信息失真。然而，对于随机光场的二阶统计特性，它在于物质相互作用或者在复杂环境传输过程中保持着非凡的鲁棒特性。因此，基于随机光场的二阶统计特性（例如：空间相干结构）调控的光学加密方法具有重要的研究意义。另一方面，测量随机光场的二阶统计特性比测量确定光场的一阶场特性复杂的多。因此，基于空间相干结构调控的光学加密方法具有更优的安全性。

现有的光学加密方法，主要可以分为利用光的相位、振幅、波长、偏振态等一阶确定光场特性实现信息加密。