专利名称：一种双随机相位光学彩色图像加密装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光学图像处理技术领域，具体涉及一种基于联合分数变换相关器的双随机相位光学彩色图像加密装置。
背景技术：
信息的加密与防伪技术是当今信息安全领域中的重要内容，其中的光学和光电信息加密与防伪技术由于其并行性、高速度和低成本而倍受人们的青睐。随着计算机的日新月异以及CCD技术、图像处理方面的软硬件、激光打印机和扫描仪的飞速发展，使得文字和图像以及信用卡、证件商标等愈来愈容易被复制，给国家、企业和个人造成巨大损失。尽管自上世纪90年代以来，激光全息产业得到了飞速发展，激光防伪全息标识的应用范围越来越大，然而，随着模压全息制作工艺的普及，加之全息图可以使用一般的照相技术和数字合成技术进行伪造，因此一般的激光防伪已经不能有效地满足人们防伪的需要，有些用于安全领域的激光全息防伪标识甚至有被仿冒的危险。由于光学信息处理系统的高度并行性和超快处理速度，使得光学安全技术具有重要的理论意义和应用前景。已有的图像加密技术有很多，按是否与颜色有关，可以分为基于彩色和基于灰度图像的加密技术。按实现方式分，可分为计算机图像加密和光学加密等。计算机图像加密是指那些只能在计算机上实现的加密技术，如基于离散余弦变换，小波变换，混沌变换，Hartley变换等。光学加密是指基于光学理论或使用光学手段来实现的加密技术，如双随机相位编码加密技术(基于傅里叶变换、分数傅里叶变换。菲涅尔变换等)，基于相位恢复算法的光学加密技术，基于联合变换相关器的光学加密技术等。图像是人类获取信息、表达信息和传递信息的重要手段。目前的光学加密技术主要集中在基于灰度图的加密上，近年来，随着计算机技术和电子技术的迅猛发展，各种彩色图像记录设备、输出设备日新月异，彩色数字图像已经成为图像，甚至整个多媒体信息系统的主流，各种庞大的彩色图像库己经建立并广泛应用于众多领域。众所周知，人眼感知的自然界是彩色的，因此对彩色图像直接进行加密解密更符合人类的感知。近年来有一些学者提出了采用三色激光的三通道彩色图像加密技术，这些方法操作步骤多、成本高、系统复杂，也有人基于三色光栅提出了几种光学单通道彩色图像加密方法。但是至今为止，能够光学上实现的加密技术还很少，这主要是由于光学加密实验是一个精密实验，也因为这个原因使得光学加密具有很高的安全性。采用双随机相位加密技术需要在解密过程中制作共轭的随机相位板，在制作过程中由于工艺限制等因素不可避免的带来的误差会造成光学上难以实现光学解密。采用基于相位恢复算法的光学加密技术是从模拟上可以验证的一种光学加密技术，该技术忽略了实际操作过程中会出现的一些问题，目前也很难达到真正意义上的光学实现。
实用新型内容针对现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种基于联合分数变换相关器的双随机相位彩色图像单通道加密装置，该方法将联合功率谱通过全息的方法使用光折变晶体记录下来。所述的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，包括光学图像加密装置和光学图像解密装置，其特征在于所述的光学图像加密装置包括氩离子激光器，通过该氩离子激光器激光输出方向为第一分束棱镜，所述的第一分束棱镜将激光分成物光和参考光，沿物光方向依次设有第一扩束准直装置、电子快门、第一反射镜、第一相位掩膜板、空间光调制器、 第一透镜；沿参考光方向依次设有第二扩束准直装置、第二反射镜、第二相位掩膜板、第二透镜；所述的第一透镜的物光和第二透镜的参考光通过第二分束棱镜，在LiNbO3晶体记录平面相干涉，本实用新型所述的LiNbO3表示的是铌酸锂晶体；所述的解密装置包括氩离子激光器，通过该氩离子激光器激光输出方向依次为第一分束棱镜、第二扩束准直装置、第二反射镜、第二相位掩膜板、第二透镜、第二分束棱镜、 LiNbO3晶体记录平面、第三透镜、光探测器和电脑；所述的解密后的光场分布可以由光探测器探测后显示在电脑的显示屏上；所述的第二相位掩膜板与第二透镜之间的光程与LiNbO3晶体记录平面和第三透镜之间的光程相匹配。所述的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，其特征在于所述的第一扩束准直装置和第二扩束准直装置包括显微物镜和透镜。所述的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，其特征在于所述的LiNbO3晶体记录平面中的LiNbO3晶体为掺有0. l%mol Fe的LiNbO3晶体。所述的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，其特征在于所述的氩离子激光器与第一分束棱镜之间可配合设置第三反射镜。所述的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，其特征在于所述的光探测器为 CXD探测器。所述的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，其特征在于所述的空间光调制器为电寻址控制空间光调制器或光寻址控制空间光调制器。所述的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，其特征在于所述的第一相位掩膜板紧贴着空间光调制器放置。所述的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，其特征在于所述的在LiNbO3晶体记录平面的联合分数功率谱可以由LiNbO3光折变晶体进行记录，也可以由光探测器记录后进行网络传输。本实用新型的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，与现有技术相比，存在如下有益效果1)结构简单，解密装置只须将加密装置的电子快门加上即可，不需重新设置一套装置；2)操作方便，解密过程不需要产生与加密过程中共轭的光场分布，只需要使用原照射平行光作为光源即可；3)简化了系统，降低了成本，本实用新型充分利用了光学信息处理系统的并行处理特性，可以单波长实现彩色图像加密解密，可以光学实时实现；4)适用范围广，本实用新型由于采用的是联合分数变换相关器结构，不仅仅局限
4于彩色图像加密，也可以用来对多幅灰度图像同时加密；5)安全性能高，本实用新型基于联合变换相关器结构的加密技术，新增的分数阶次可以大大提高系统的安全性，即使是正确的相位掩膜板，但是位置稍微有些移动，由于分数傅里叶变换的平移可变性，不能解密出待加密图像。
图1为本实用新型的光学图像加密装置结构示意图。图中1-氩离子激光器，2-第三反射镜，3-第一分束棱镜，4-第二扩束准直装置， 4a-显微物镜，4b-透镜，5-第二反射镜，6-第二相位掩膜板，6a-第一相位掩膜板，7-第二透镜，8-第二分束棱镜，9-第一透镜，10-空间光调制器，11-第一反射镜，12-电子快门， 13-第一扩束准直装置，13a-显微物镜，13b-透镜，H-LiNbO3晶体记录平面，15-第三透镜， 16-光探测器，17-电脑。
具体实施方式
以下结合说明书附图及对实用新型作进一步的描述如图1所示的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，包括光学图像加密装置和光学图像解密装置，所述的光学图像加密装置包括氩离子激光器1，通过该氩离子激光器1 激光输出方向为第一分束棱镜3，所述的第一分束棱镜3将激光分成物光和参考光，沿物光方向依次设有第一扩束准直装置13、电子快门12、第一反射镜11、第一相位掩膜板6a、空间光调制器10、第一透镜9 ；沿参考光方向依次设有第二扩束准直装置4、第二反射镜5、第二相位掩膜板6、第二透镜7 ；所述的第一透镜9的物光和第二透镜7的参考光通过第二分束棱镜8，在LiNbO3晶体记录平面14相干涉；所述的第一扩束准直装置13和第二扩束准直装置4包括显微物镜4a，13a和透镜4b，13b ；所述的LiNbO3晶体记录平面14中的LiNbO3晶体为掺有0. l%mol Fe的LiNbO3晶体；所述的空间光调制器9为电寻址控制空间光调制器或光寻址控制空间光调制器。所述的解密装置包括氩离子激光器1，通过该氩离子激光器1激光输出方向依次为第一分束棱镜3、第二扩束准直装置4、第二反射镜5、第二相位掩膜板6、第二透镜7、第二分束棱镜8、LiNbO3晶体记录平面14、第三透镜15、光探测器16和电脑17 ；在LiNbO3晶体记录平面14记录的联合分数功率谱光探测器16记录后传送到电脑17 ；光探测器16对输出平面的解密结果进行探测，并显示在电脑17的显示屏上，所述的第二相位掩膜板6与第二透镜7之间的光程与LiNbO3晶体记录平面14和第三透镜15之间的光程相匹配，所述的光探测器16为CXD探测器。所述的氩离子激光器1与第一分束棱镜3之间可配合设置第三反射镜2，这里的反射镜可以不加，作用是为了使光路折叠，节省空间，如果实验室空间足够大也可以不加这个反射镜。如图1所示，加密过程中，氩离子激光器1发出的光，发出的激光的波长为515nm， 经过第一分束棱镜3分成参考光和物光两束，其中参考光经过第二扩束准直装置4进行扩束和准直，准直后的光依次经过第二反射镜5、第二相位掩膜板6、第二透镜7和第二分束棱镜8，经过另一分数阶次的分数傅里叶变换，与物光同时聚集在光折变LiNbO3晶体记录平面14 ；其中第二相位掩膜板6到第二透镜7的前表面的光程与第二透镜7的后表面到LiNbO3 晶体记录平面14的光程相等，另一束物光经过第一扩束准直装置13来进行扩束准直后依次经过电子快门12、第一反射镜11、第一相位掩膜板6a、空间光调制器10、第一透镜9、第二分束棱镜8，然后到达LiNbO3晶体记录平面14与参考光干涉，所述的空间光调制器10 是用来显示待加密图片的，第一随机相位板6a是使用DWL66激光直写系统制作的，也可以使用位相型的空间光调制器来实现，它的作用是改变输入图片的光场分布，使之均勻化和散乱化，经过任一分数阶次的分数傅里叶变换到达光折变LiNbO3晶体记录平面14。第一相位掩膜板6a到第一透镜9的前表面的光程与第一透镜9的后表面到LiNbO3晶体记录平面14的光程相等；解密过程中，保持加密过程中的各装置位置不变，关闭电子快门12，激光走参考光的线路，先经过第二扩束准直装置4进行扩束和准直，准直后的光依次经过第二反射镜5、第二相位掩膜板6、第二透镜7和第二分束棱镜8，再到LiNbO3晶体记录平面14， LiNbO3晶体记录平面14后面经过一个分数阶次为P2=2-Pi的分数傅里叶逆变换，可以在最后的输出平面得到一幅空间上分离的红绿蓝分量的联合图，通过电脑合成可以获得解密后的彩色图像。其中第二相位掩膜板6到第二透镜7的前表面的光程与第二透镜7的后表面到LiNbO3晶体记录平面14的光程相等；LiNbO3晶体记录平面14到第三透镜15的前表面的光程等于第三透镜15的后表面到光探测器16的记录平面的光程；第二相位掩膜板6第二透镜7之间的光程与LiNbO3晶体记录平面14和第三透镜15之间的光程以分数阶次相匹配为宜。本发明试验中采用的CCD光探测器为陕西维视公司生产的型号为MV-1300FC，像素数为1280*1024，像素间隔为5. 2微米，使用的空间光调制器10为先共创光电生产的透射式振幅型空间光调制器，像素数为1024*768，型号为GC-SLM-T-XGA，像素间隔为22微米。使用的透镜为大恒新纪元公司生产的焦距为30cm和40cm等。本发明所述的第二相位掩膜板6到第二透镜7的前表面的光程与第二透镜7的后表面到LiNbO3晶体记录平面14的光程相等，其光程用Cl1表示，其计算方法为，其中η为折射率，f为第二透镜的焦距，P1即为加密过程中的分数阶次，0 ^ P1 ^ 2 ；LiNbO3晶体记录平面14到第三透镜15的前表面的光程等于第三透镜15的后表面到光探测器16的记录平面的光程，其光程用d2表示，d2与Cl1相匹配，，其中η为折射率，f为第三透镜的焦距，P2即为解密过程中的分数阶次，0 < P2 < 2。本发明技术优点是解密过程比较简单，不需要产生与加密过程中共轭的光场分布，只需要使用原照射平行光作为光源，而且不仅仅局限于彩色图像加密，也可以用来对多幅灰度图像同时加密。该技术充分利用了光学信息处理系统的并行处理特性，可以单波长实现彩色图像加密解密。与目前现有的通过三色激光来实现彩色图像加密的技术相比，简化了系统，降低了成本，更具有实际意义的是该技术可以光学实时实现，目前的采用三色激光加密解密的技术都是停留在理论模拟阶段，没有见到实际实验的报道，主要是采用三色激光来做彩色图像加密在实际实现过程中相当的艰难，不容易实现。由于采用的是联合分数变换相关器结构，该技术的安全性能比传统的基于联合变换相关器结构的加密技术的安全性更高，而且现有的基于联合变换相关器结构的加密技术是针对灰度图的，该技术是针对彩色图像的。还有一个优点是由于采用的是分数傅里叶变换，因为分数傅里叶变换的平移可变性，使得即使是正确的相位掩膜板但是位置稍有不对时，也不能解密出待加密图像， 错误的相位掩膜也不能解密出待加密图像，与基于联合变换相关器结构的加密技术相比安全性能大大提高。基于联合变换相关器结构的加密技术只要是正确的相位掩膜板，即使位置稍微有些移动，由于傅里叶变换的平移不变性，也可以解密出待加密图像。该技术采用的激光直写系统刻蚀出来的相位掩膜板具有衍射效率高，相位调制量可控的优点，做出来的实验结果比现有的技术更好。
权利要求1.一种双随机相位光学彩色图像加密装置，包括光学图像加密装置和光学图像解密装置，其特征在于所述的光学图像加密装置包括氩离子激光器(1 )，通过该氩离子激光器(1) 激光输出方向为第一分束棱镜(3)，所述的第一分束棱镜(3)将激光分成物光和参考光，沿物光方向依次设有第一扩束准直装置(13)、电子快门(12)、第一反射镜(11)、第一相位掩膜板(6a)、空间光调制器(10)、第一透镜(9)；沿参考光方向依次设有第二扩束准直装置 (4)、第二反射镜(5)、第二相位掩膜板(6)、第二透镜(7)；所述的第一透镜(9)的物光和第二透镜(7)的参考光通过第二分束棱镜(8)，在LiNbO3晶体记录平面(14)相干涉；所述的解密装置包括氩离子激光器(1 )，通过该氩离子激光器(1)激光输出方向依次为第一分束棱镜(3)、第二扩束准直装置(4)、第二反射镜(5)、第二相位掩膜板(6)、第二透镜(7 )、第二分束棱镜(8 )、LiNbO3晶体记录平面(14 )、第三透镜(15)、光探测器(16 )和电脑 (17);所述的解密后的光场分布可以由光探测器(16)探测后显示在电脑(17)的显示屏上；所述的第二相位掩膜板(6)与第二透镜(7)之间的光程与LiNbO3晶体记录平面(14) 和第三透镜(15)之间的光程相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，其特征在于所述的第一扩束准直装置(13)和第二扩束准直装置(4 )包括显微物镜(4a，13a )和透镜(4b，13b )。
3.根据权利要求1所述的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，其特征在于所述的氩离子激光器(1)与第一分束棱镜(3)之间可配合设置第三反射镜(2)。
4.根据权利要求1所述的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，其特征在于所述的光探测器(16)为CXD探测器。
5.根据权利要求1所述的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，其特征在于所述的空间光调制器(9)为电寻址控制空间光调制器或光寻址控制空间光调制器。
6.根据权利要求1所述的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，其特征在于所述的第一相位掩膜板(6a)紧贴着空间光调制器(9)放置。
7.根据权利要求1所述的一种双随机相位光学彩色图像加密装置，其特征在于所述的在LiNbO3晶体记录平面(14)的联合分数功率谱可以由LiNbO3光折变晶体进行记录，也可以由光探测器(16)记录后进行网络传输。
专利摘要一种双随机相位光学彩色图像加密装置，属于光学图像处理技术领域。它包括光学图像加密装置和光学图像解密装置，光学图像加密装置包括氩离子激光器，通过该氩离子激光器激光输出方向为第一分束棱镜，解密装置包括氩离子激光器，解密后的光场分布可以由光探测器探测后显示在电脑的显示屏上。本实用新型由于采用的是联合分数变换相关器结构，灵活性好，解密装置只须将加密装置的电子快门加上即可，不需要产生与加密过程中共轭的光场分布，只需要使用原照射平行光作为光源；利用光学信息处理系统的并行处理特性，可以单波长实现彩色图像加密解密；结构简单，操作方便，简化了系统，降低了成本，安全性能高，适用范围广。
文档编号G03H1/12GK201945812SQ20112000653
公开日2011年8月24日 申请日期2011年1月11日 优先权日2011年1月11日
发明者金伟民, 鲁丁 申请人:浙江师范大学