专利名称：利用光偏振态进行多重图像加密的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学图像加密，特别是一种利用光偏振态进行多重光学图像加密的方法和装置。
背景技术：
光学安全技术的发展经历了一个很长的时间，最初是将水印和凹版印刷技术应用于货币的防伪。但是，随着计算机技术的发展和光探测器CCD的普遍应用，普通的全息图被仿制的现象越来越严重。因此，这种防伪技术失去了防伪和保密功能，给一些企业、银行和个人带来了很大的经济损失。利用光学信息处理技术的图像加密技术由于其高处理速度、高并行性、高加密维度以及大空间带宽等各方面的优点，在信息安全领域显示出巨大的应用价值。
利用双随机相位板加密光学图像信息，已有技术文献[P.Refregier，B.Javidi.Optical image encryption based on input plane and Fourier plane randomencoding[J].Opt.Lett.，1995，20(7)767-769]报道，可以将原始图像加密成统计无关的白噪声。在这个加密系统中，采用了一个标准的4f光学处理系统。两块随机相位板分别被放置在输入面和频谱面，待加密的原始图像紧贴输入面的随机相位板上。在相干光源的照射下，在输出面将得到加密后的图像信息。此加密后的图像信息可以记录或者进行光路传输。解密过程同样采用4f光学处理系统，在频谱面放置加密时的共轭相位板，在输出面利用光探测器CCD得到原始的实图像信息。
在此基础上，人们又研究和提出了联合变换相关加密技术。它是将待加密的图像与随机相位板并排放置在输入面，在频谱面得到加密后的图像信息。解密过程采用同一块相位板，在输出面的特定位置得到解密图像。但是，这种加密技术在解密过程中仍然采用了4f光学处理系统，对解密相位板有很高的定位要求。而且，只能进行单幅图像的加密和解密操作。
为了改进光学图像加密技术，又提出了其他的加密方法，如全相位加密、分数傅里叶变换加密及菲涅尔域的光学图像加密等等。这些技术采用光折变晶体来存储加密后的图像信息。解密时利用光折变晶体产生的共轭光，从而简化了解密装置。但是，这些加密技术都只对一幅或者几幅图像进行加密。而多重图像加密是光学图像加密的一个发展方向，实现对多重图像的加密存储，对加密系统有重要的实际意义。
目前对多重图像的加密存储，有利用波长、位移及角度等方法。采用不同波长实现多重图像的加密，是对不同的原图像采用不同的波长进行加密，解密时以相应的波长得到相应的解密图像。但是这种方法对于大量的图像存储会产生背景噪声，影响解密图像的质量。
利用随机相位板位移的多重加密技术，是采用传统的双随机相位编码加密系统。由于该系统对其系统中的元件位置有严格的要求，当系统中元件有位移时，解密图像迅速退化。因此，加密和解密时的密匙位置必须严格匹配才能得到解密图像。人们正是利用系统对元件位置的敏感性来实现图像多重加密的。
目前的许多光学图像加密系统，都采用光折变晶体来记录加密图像，因为光折变晶体的存储容量大并且可以产生加密图像的共轭光，有利于图像的解密。因此，人们利用光折变晶体旋转一定的角度来实现多重图像的加密。也就是对不同图像，记录在不同旋转角的晶体中，用这种方法可以得到清晰的解密图像质量。
但是，在上述的几种多重图像加密技术中，由于激光器的波长不是连续可调的，利用波长进行多重图像加密，在实用中存在一定的局限性。利用随机相位模板的位移和记录晶体的旋转来实现的多重图像加密，对于它们在解密时位置精度的要求非常高，不利于实际的应用。因此，如何实现快速有效的多重图像加密是一个需要解决的重要的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种利用光偏振态进行多重图像加密的方法和装置。该多重图像加密不用改变激光源波长，也不用对系统元件进行机械移动，就能够快速地实现对多重图像的加密。
本发明的技术解决方案如下一种利用光偏振态进行多重图像加密的方法，该方法包括下列步骤(一)加密①将原始二值强度图像信息通过二值偏振态生成器，生成相应的二值偏振态图像信息，输入到加密装置的输入面；②将激光器发出的光经过一扩束镜进行扩束后，通过所述的加密装置的输入面，与所述的二值偏振态图像信息相互作用，生成携带有二值偏振态图像信息的线偏振光；③当该携带有二值偏振态图像信息的线偏光传播到第一空间光调制器时，被该第一空间光调制器具有的空间调制函数所调制，使二值偏振态图像信息的线偏振光中每一个像素的光的偏振态成为随机状态，即随机偏振光从输出面输出，进行存储或者进入光路传输；(二)解密④当携带有二值偏振态图像信息的随机偏振光传输并经解密装置进入第二空间光调制器时，被该第二空间光调制器具有的空间调制函数解调，按与第一空间光调制器加密时相反的时间和空间函数关系调制每个像素的偏振态，使之恢复为二值偏振态图像信息的线偏振光；⑤该二值偏振态图像信息的线偏振光通过一检偏器，获得二值强度图像信息，用一光探测器读取其强度图。
一种实施上述方法的多重图像加密装置，包括一光学图像加密装置和一光学图像解密装置，其特征在于所述的光学图像加密装置的构成包括第一激光器，沿该第一激光器的激光输出方向依次是第一扩束镜、原始图像输入面、第一空间光调制器和加密图像输出面，所述的原始图像输入面就是所述的二值偏振态图像信息的输入面；所述的光学图像解密装置的构成包括第二激光器，沿该第二激光器激光传播方向依次为第二扩束器、解密装置输入面、第二空间光调制器、透镜、检偏器和光探测器，所述的检偏器与所述的二值偏振态生成器的偏振态相对应；所述的第一空间光调制器和第二空间光调制器具有相同的结构，但对光偏振态的调制函数互为逆函数，这两个空间光调制器的调制函数的时间和空间函数关系都由计算机进行控制，所述的光探测器亦由所述的计算机控制并与所述的第二空间光调制器同步工作。
所述的光探测器为CCD探测器。
所述的二值偏振态图像信息的线偏光的偏振状态分别为与水平方向成45°或135°两个方向的偏振状态。
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。电寻址控制空间光调制器是利用电信号控制光学图像的每个像素的相位延迟，即控制通过该空间光调制器上各像素的相干光的偏振态。光寻址控制空间光调制器，即利用光信号来控制光学图像的每个像素的偏振态。
本发明的优点系统结构简单，可快速的实现多重图像加密，而不仅仅局限于对单幅光学图像的操作。光学图像加密系统的安全性高，利用光偏振态的调制来加密多重光学图像信息，即对不同的光学图像采用不同的偏振态来调制加密，提高了系统的安全性。
图1是本发明多重图像加密装置的光学加密装置实施例的结构示意图。
图2是本发明多重图像加密装置的光学解密装置实施例的结构示意图。
图3是二值图像变为相应二值偏振态图像信息的示意图。
图4是线偏光经过空间光调制器后偏振态变化的示意图。
图中101-第一激光器，102-第二激光器，201-第一扩束镜，202-第一扩束镜，3、4-反射镜，5-加密装置原始图像输入面，6-第一空间光调制器，7-加密图像输出面，8-解密装置输入面，9-第二空间光调制器，10-透镜，11-检偏器，12-光探测器CCD，13-计算机具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1和图2，图1和图2分别是本发明多重图像加密装置的实施例的光学加密装置结构示意图和光学解密装置实施例的结构示意图。由图可见，本发明多重图像加密装置包括一光学图像加密装置和一光学图像解密装置，其特征在于所述的光学图像加密装置的构成包括第一激光器101，沿该第一激光器101的激光输出方向依次是第一扩束镜201、原始图像输入面5、第一空间光调制器6和加密图像输出面7，所述的原始图像输入面5就是所述的二值偏振态图像信息的输入面；所述的光学图像解密装置的构成包括第二激光器102，沿该第二激光器102激光传播方向依次为第二扩束镜202、解密装置输入面8、第二空间光调制器9、透镜10、检偏器11和光探测器12，所述的检偏器11与二值偏振态生成器的偏振态相对应；所述的第一空间光调制器6和第二空间光调制器9具有相同的结构，但对光偏振态的调制函数是互逆函数，这两个空间光调制器的调制函数的时间和空间函数关系都由计算机13进行控制，所述的光探测器12亦由计算机13控制并与所述的第二空间光调制器9同步工作。
本实施例的第一空间光调制器6和第二空间光调制器9具有相同的结构，但对光偏振态的调制函数是互逆的，这两个空间光调制器的调制函数可以通过计算机13进行同步控制。所述的第一激光器101与第二激光器102相同，所述的第一扩束镜201与第二扩束镜202相同。所述的光探测器12为CCD探测器。所述的空间光调制器为电寻址控制空间光调制器。
在本实施例的加密过程中，在加密装置图像输入面5的原始图像信息是二值偏振态图像信息，它是由二值强度图像信息通过二值偏振态生成器生成的，将二值强度图像信息变成相应的二值偏振态图像，如图3所示。图3上半部是二值强度图像信息，下半部是二值偏振态图像信息，当激光经过该二值偏振态图像信息后，其偏振状态分别变为与水平方向成45°和135°两个不同的方向。所述的第一空间光调制器6和第二空间光调制器9，采用holoeye公司的液晶空间光调制器LC-2002，该空间光调制器采用电寻址，对通过它的光的偏振态进行调制，其调制过程由计算机13以一定的时间和空间函数关系来控制。
多重图像加密装置实施例的工作过程是第一激光器101发出的激光首先用第一扩束镜201进行扩束，扩束后光束的大小与输入图像信息面5的大小相匹配为宜。图中3、4是两块用于改变光路的全反射镜，对于本发明并非必要的，只是用于改变光路的方向。扩束后的光束通过原始图像的信息面5后，成为携带有二值偏振态图像信息的线偏光。当该线偏光传播到第一空间光调制器6时，被该第一空间光调制器6所具有的空间调制函数调节，使调制后的图像信息的每个像素的偏振态成随机变化，偏振态调制过程如图4所示。图中a是携带二值偏振态图像信息的线偏光的偏振态，b是第一空间光调制器对其各像素的调制函数，c是二值偏振态图像信息的线偏光的偏振态被第一空间光调制器调制后的偏振态，呈随机状态。被调制后的图像信息作为加密后的图像在加密装置输出面7输出，该加密后的图像可以进行存储或者光路传输。
加密后图像的解密过程是原始图像信息的恢复过程。在光学解密装置中，我们利用一检偏器11获取原始图像的强度信息，值得注意的是该检偏器11的检偏方向要与所述的二值偏振态图像信息的线偏光的偏振态的偏振方向相同。第二空间光调制器9对加密图像进行解密调制时，其调制的函数关系是由计算机13来同步控制的。对于多重图像加密，由于不同的原始图像以不同的偏振态调制加密，因此也需要相应的不同的偏振态调制来进行解密。解密时，加密后的图像在解密装置输入面8输入，当传播到第二空间光调制器9时，被该第二空间光调制器9按与加密时相反的函数关系，调制其每个像素的偏振态，从而使加密后的光的偏振态恢复到原来二值偏振态图像信息的线偏光的线偏振态，通过透镜10，经检偏器11进行对原始图像信息的检偏，以获得原始图像的强度信息，再用光探测器CCD12读取其强度图。整个过程由计算机13控制。
权利要求
1.一种利用光偏振态进行多重图像加密的方法，其特征在于该方法包括下列步骤(1)加密①将原始二值强度图像信息通过二值偏振态生成器，生成相应的二值偏振态图像信息，输入到加密装置的输入面；②将激光器发出的光经过一扩束镜进行扩束后，通过所述的加密装置的输入面，与所述的二值偏振态图像信息相互作用，成为携带有二值偏振态图像信息的线偏振光；③当该携带有二值偏振态图像信息的线偏光传播到第一空间光调制器时，被该第一空间光调制器具有的空间调制函数所调制，使二值偏振态图像信息的线偏振光中每一个像素的光的偏振态成为随机状态，即随机偏振光从输出面输出，进行存储或者进入光路传输；(2)解密④当携带有二值偏振态图像信息的随机偏振光传输经解密装置进入第二空间光调制器时，被该第二空间光调制器具有的空间调制函数解调，按与第一空间光调制器加密时相反的时间和空间函数关系调制每个像素的偏振态，使之恢复为二值偏振态图像信息的线偏振光；⑤该二值偏振态图像信息的线偏振光通过一检偏器，获得原始的二值强度图像信息，用一光探测器读取其强度图。
2.一种实施权利要求1所述方法的多重图像加密装置，包括一光学图像加密装置和一光学图像解密装置，其特征在于所述的光学图像加密装置的构成包括第一激光器(101)，沿该第一激光器(101)的激光输出方向依次是第一扩束镜(201)、原始图像输入面(5)、第一空间光调制器(6)和加密图像输出面(7)，所述的原始图像输入面(5)就是所述的二值偏振态图像信息的输入面；所述的光学图像解密装置的构成包括第二激光器(102)，沿该第二激光器(102)激光传播方向依次为第二扩束器(202)、解密装置输入面(8)、第二空间光调制器(9)、透镜(10)、检偏器(11)和光探测器(12)，所述的检偏器(11)与二值偏振态生成器的偏振态相对应；所述的第一空间光调制器(6)和第二空间光调制器(9)具有相同的结构，但对光偏振态的调制函数互为逆函数，这两个空间光调制器的调制函数的时间和空间函数关系都由计算机(13)进行同步控制，所述的光探测器(12)亦由计算机(13)控制与所述的第二空间光调制器(9)同步工作。
3.根据权利要求2所述的多重图像加密装置，其特征在于所述的光探测器(12)为CCD探测器。
4.根据权利要求2所述的多重图像加密装置，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。
5.根据权利要求2至4任一项所述的多重图像加密装置，其特征在于所述的原始二值偏振态图像信息的线偏光的偏振状态分别为与水平方向成45°或135°两个方向的偏振状态。
全文摘要
一种利用光偏振态进行多重图像加密的方法和装置，该方法的原理是利用空间光调制器的偏振态调制的随机性和逆调制的可恢复性，图像信息的二值偏振态的生成和检偏。相应的多重图像加密装置，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的构成包括第一激光器，沿该第一激光器的激光输出方向依次是第一扩束镜、原始图像输入面、第一空间光调制器和加密图像输出面；所述的光学图像解密装置的构成包括第二激光器，沿该第二激光器激光传播方向依次为第二扩束器、解密装置输入面、第二空间光调制器、透镜、检偏器和光探测器；所述的第一空间光调制器、第二空间光调制器和光探测器由计算机控制并同步工作。
文档编号G09C5/00GK101086811SQ20071004086
公开日2007年12月12日 申请日期2007年5月18日 优先权日2007年5月18日
发明者顾唯兵, 何红 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所