可变光阑对高斯光束衍射特性分析

可变光阑作为常见的光学器件,广泛应用于光束整形和空间滤波.根据可变光阑的工作原理可知,其通光孔是多边弧形而非圆形,这导致当光束经可变光阑衍射时,近场会出现齿状光斑.本文对可变光阑的近场衍射图像进行了实验测量,并且采用Matlab对多边弧形的衍射特性进行了理论仿真,理论仿真结果与实验观测结果一致.     

衍射光学元件的设计方法

衍射光学是基于光学衍射原理和利用计算机产生全息图和相息图（ｋｉｎｏｆｏｒｍｓ）以及微电子加工　　技术而发展起来的一个新的光学分支。衍射光学元件能够同时实现几种光学功能,从而实现光学元件的微型阵列化与集成化。着重介绍基于衍射标量理论、衍射光学元件的设计原理和相关的算法。通过简单的例子来说明设计的步骤和结果。     

基于相位恢复算法的单强度记录光学加密系统

在传统的双随机相位光学加密系统的基础上,提出一种新的单强度记录光学加密技术。在加密时,将原始图像置于4-f系统的输入平面上进行双随机相位光学加密,利用CCD等感光器件记录输出平面上的光强分布作为密文,该光学加密过程只需一次曝光,在解密时,利用相位恢复算法进行迭代计算就可以由密文恢复原始图像。由于解密过程采用数字方式,因此可以在解密过程中引入各种数字图像处理技术来抑制散斑噪声,进一步改善解密图像质量。通过一系列仿真实验,证明该光学加密系统可以实现对二值图像和灰度图像的光学加密,并且能够很好地抵御已知明文攻击、选择明文攻击等方法的攻击。理论分析和计算机仿真表明,该光学加密技术系统结构简单,实现方便,并且不易受到各种攻击,安全性较高。     

级联菲涅尔衍射光学图像安全系统

计算机模拟验证了系统用于光学图像加密和隐藏的可行性.理论分析揭示了本系统面向应用的三个性质：相位分布的台阶数可以作为系统设计的自由度;增加系统衍射级次可以提高秘密图像的解密质量,但此时系统受到波长微变的影响也较显著;轴向位移也会产生噪音信号,其衍射距离越长,解密质量越差.     

基于频谱融合和柱面衍射的双图像非对称加密

提出了一种基于光学柱面衍射的非对称双图像加密方法.首先对两幅灰度图像作离散余弦变换,得到相应的频谱,分别保留两幅离散余弦变换频谱的低频数据和任意1/3的高频数据,并将其中一幅图的低频和任意1/3的高频融合为新的复合频谱,对其进行柱面衍射后进行相位截断生成振幅和密钥.生成的振幅与第二幅图像的低频数据进行相同的加密过程产生新的振幅与密钥.最后将新生成的振幅与第二幅图的任意1/3的高频数据融合为新的复合频谱,通过柱面衍射后的相位截断生成密文和新的密钥,其中密文变成了原图的1/4.对两幅512×512的灰度图像进行加密测试,结果表明重建图像的质量高,相关系数值均高于0.97,峰值信噪比均大于33dB.基于柱面衍射的光学图像加密克服了传统平面衍射的对称性,同时柱面衍射的内柱面半径、柱面高度、衍射距离可以作为加密系统的附加密钥,扩大了密钥空间,增加了系统的安全性.     

基于级联相位恢复算法的光学图像加密

在虚拟光学数据加密理论模型的基础上,提出了一种光学图像加密的可视化密码构造算法。该加密算法基于自由空间传播的光学系统,利用级联迭代角谱相位恢复算法把待加密图像分别编码到两块相位模板之中,从而实现图像的加密。该加密技术不但可通过同时调整两块相位模板的相位分布的搜索策略来扩大搜索空间,提高安全强度,而且扩大了系统密钥空间,使系统获得更高的安全性,且能通过简单的数值运算或光学实验装置得到质量非常高的解密图像,还从理论上分析了该算法的时间复杂度。计算机模拟结果表明,该加密算法的收敛速度快,能迅速找到非常好的近似解,解密图像质量高且系统安全性良好。     

半径随机的圆孔波纹锯齿光阑的衍射特性

研究了半径随角度的变化而随机变化的圆孔波纹锯齿光阑的衍射特性,提出并证明半径随机的圆孔纹波锯齿光阑能改善光束的近场分布和抑制光束中央部分的衍射调制。给出了衍射光轴上和横截面内光强分布的模拟计算结果,通过计算结果可以看出:通过半径随机圆孔波纹锯齿光阑后,衍射光横截面内填充因子比经过调幅型波纹锯齿光阑后的填充因子高,调制强度比经过调幅型波纹锯齿光阑低,并且半径随机锯齿光阑能在较大的空间范围内抑制轴上光强的衍射调制, 其可抑制的最远空间距离可达0.15 m。     

半径随机的圆孔波纹锯齿光阑的衍射特性

研究了半径随角度的变化而随机变化的圆孔波纹锯齿光阑的衍射特性,提出并证明半径随机的圆孔纹波锯齿光阑能改善光束的近场分布和抑制光束中央部分的衍射调制。给出了衍射光轴上和横截面内光强分布的模拟计算结果,通过计算结果可以看出:通过半径随机圆孔波纹锯齿光阑后,衍射光横截面内填充因子比经过调幅型波纹锯齿光阑后的填充因子高,调制强度比经过调幅型波纹锯齿光阑低,并且半径随机锯齿光阑能在较大的空间范围内抑制轴上光强的衍射调制, 其可抑制的最远空间距离可达0.15 m。     

基于瑞利-索末菲积分的大衍射角衍射光学元件设计方法

针对现有的衍射光学元件设计方法只适用于小角度衍射的情况,本文提出了一种基于瑞利-索末菲衍射积分的设计方法,可以用来设计具有大衍射角的衍射光学元件。先对目标光场进行坐标变换和强度调整,再利用改进的Gerchberg-Saxton算法优化得到衍射光学元件的相位分布。分别采用本文方法和原有的基于夫琅禾费衍射积分的方法设计衍射光学元件实现线条结构光和不同角度方框图形的光场重构,结果表明:原有的设计方法只适用于衍射角全角小于25°的情况,当衍射角大于25°时,重构光场会出现显著的枕形畸变和不均匀的强度分布。而本文方法在小角度和大角度衍射下都能重构出准确的衍射角和较为均匀的强度分布.     

基于公匙密匙分配体制的光学加密系统

针对光学变换加密系统的密匙安全管理和分发问题,提出了基于公匙密匙分配体制和光学变换的混合加密系统.首先利用光学加密系统对原始图像进行加密,然后对光学加密系统的工作密匙进行压缩,最后利用公匙密匙分配体制对压缩后的密匙进行分配和管理.解密时,接收方不需要等待,就可以预先利用公匙密匙分配体制获得解密密匙.理论分析和仿真实验表明,该方法不仅充分利用了光学变换加密系统具有多重密匙的特点,解决了密匙的安全分配和管理问题,而且突出了混合加密系统的速度优势.     

用多重菲涅耳衍射变换和相位密码板实现图像加密的技术

基于多重菲涅耳衍射变换和相位密码板,设计了一种新的图像加密计算方法.待加密的明文图像在多重离散菲涅耳衍射变换和相位密码板的共同作用下,变换为一个具有随机码特征的密文矩阵;衍射距离和相位密码板是主要的密钥.只有当所有密钥都正确时,才能成功地解密密文.结果表明,该加密算法能抵抗JPEG有损压缩、图像剪切、重度噪音污染和重采样等攻击,因此该法具有较强的鲁棒性;由于很难破解多重密钥,所以该算法具有极高的安全性.     

Optical image conversion and encryption by diffraction,phase retrieval algorithm and incoherent superposition

In this paper, an optical encryption system is proposed based on tricolor principle, Fresnel diffraction, and phase iterative algorithms. Different from the traditional encryption system, the encrypted image of this system is a color image and the plaintext of it is a gray image, which can achieve the combination of a color image and a gray image and the conversion of one image to another image. Phase masks can be generated by using the phase iterative algorithms in this paper. The six phase masks and the six diffracting distances are all essential keys in the process of decryption, which can greatly enhance the system security. Numerical simulations are shown to prove the possibility and safety of the method.     

基于全息技术的光学加密系统实值编码

提出一种基于全息技术用于光学图像加密的实值编码方法.待编码的数字图像与一个大小相同、灰度值为零的图像组成一幅新的图像,然后与一个随机相位掩膜一起通过光学透镜作傅里叶变换,取变换结果的实部作为编码输出图像.利用全息记录的方法解码,即编码输出图像和随机相位掩膜的傅里叶变换相加通过光学透镜作傅里叶反变换,记录反变换的光强分布,再通过非线性变换或灰度变换的方法可以恢复原图像.     

基于随机相位实值编码的光学图像加密

提出了一种用于图像加密的随机相位实值编码方法,待编码的纯相位图像与一个随机相位掩膜一起作傅里叶变换,取其实部作为编码图像.已编码的图像和随机相位掩膜的傅里叶变换相加作傅里叶反变换,反变换的光强可以准确地重建原图像.该编译码方法简单,编码图像是一个实值图像,便于计算机打印或显示输出.     

Information verification and encryption based on phase retrieval with sparsity constraints and optical inference

A novel optical information verification and encryption method is proposed based on inference principle and phase retrieval with sparsity constraints. In this method, a target image is encrypted into two phase-only masks (POMs), which comprise sparse phase data used for verification. Both of the two POMs need to be authenticated before being applied for decrypting. The target image can be optically reconstructed when the two authenticated POMs are Fourier transformed and convolved by the correct decryption key, which is also generated in encryption process. No holographic scheme is involved in the proposed optical verification and encryption system and there is also no problem of information disclosure in the two authenticable POMs. Numerical simulation results demonstrate the validity and good performance of this new proposed method.     

基于变形分数傅里叶变换的六重密钥图像加密

提出一种利用变形分数傅里叶变换和双随机相位编码对图像加密的方法.对要加密的图像分别进行两次变形分数傅里叶变换和两次随机相位函数调制,使加密图像的密钥由原来两重增加到六重.利用全息元件,可以用光学系统实现这种加密和解密变换.计算机模拟结果表明,只有当六重密钥都完全正确时,才能准确地重建原图像,这种六重密钥加密方法提高了图像信息的安全保密性.