2024年4月28日发(作者：)
(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利说明书
(21)申请号 CN2.9
(22)申请日 2014.04.08
(71)申请人 上海师范大学
地址 200234 上海市徐汇区桂林路100号
(72)发明人 闫爱民 胡志娟 石旺舟
(74)专利代理机构 上海申新律师事务所
代理人 刘懿
(51)
G06T1/00
权利要求说明书 说明书 幅图
(10)申请公布号 CN 103942746 A
(43)申请公布日 2014.07.23
(54)发明名称
基于光学扫描的目标的光学图像加
密方法
(57)摘要
本发明基于光学扫描的目标的光学
图像加密方法，涉及光学图像加密技术领
域。具体为给目标投射一个二维扫描的由
两个同轴同心偏振正交的球面波组成的隐
形的菲涅尔波带片光斑，通过与相位密码
板相结合，对目标进行二维扫描，每次扫
描将目标编码构成一个加密的隐形的菲涅
尔波带片光斑，同时将加密信号通过光学
发射天线发射出去，与此同时光学接收天
线接收到目标的加密信号经空间光学桥接
器和平衡探测器相干接收，在同步扫描的
解密密钥的作用下，最终通过匹配滤波器
重现目标图像，实现解密过程。本发明在
为解决互联网信息安全，特别提高建立在
光学图像信息传递的安全性方面提供了坚
实的技术物质基础，具有适用面广，结构
简单，效率高，安全性好等优势。
法律状态
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
权 利 要 求 说 明 书
1.一种基于光学扫描的目标的光学图像加密方法，其特征是，给
目标投射一个二维扫描的由两个同轴同心偏振正交的球面波组成的
隐形的菲涅尔波带片光斑，通过与相位密码板相结合，对目标进行二
维扫描，每次扫描将目标编码构成一个加密的隐形的菲涅尔波带片光
斑，同时将加密信号通过光学发射天线发射出去，与此同时光
天线接收到目标的加密信号经空间光学桥接器和平衡探
收，在同步扫描的解密密钥的作用下，最终通过匹配滤
图像，实现解密过程。
学接收
测器相干接
波器重现目标
2.如权利要求1所述的基于光学扫描的目标的光学图像加密方
特征是，所述加密路径依次为激光器（1）、λ/2波片（2）、
直器（3）、能量分束器（4）、第一发射偏振分束器（5）经平
学
所述解密路径依次为光学接收天线（12）一端，能量分束器（4）
法，其
扩束准
行的左通道加密密钥（6）和右通道空间相位调制器（7）后，合并与
第二发射偏振合束器（8）、第一光束扫描器（9）、目标（10）、光
发射天线（11）以光路方式连接构成；
与第三发射偏振分束器（13）经平行左通道空间相位调制器（14）和
右通道解密密钥（15）后，与第四发射偏振合束器（16）、第二光束
扫描器（17）与光学接收天线（12）另一端、接收偏振分束器
空间光学桥接器（20）以光路方式连接，并与平行的上
（21）和下路平衡探测器（22）经多通道数据采
并，经匹配滤
接构成；
（19）、
路平衡探测器
集控制系统（23）合
波器（24）及图像输出和显示器（25）以电信号方式连
其中，第一光束扫描器（9）和第二光束扫描器（17）经同步控
3.如权利要求2所述的基于光学扫描的目标的光学图像加密方
特征是，所述激光器（1）为任意波长λ的连续激光器；
所述目标（10）可为二维物体、文档、图像或者三维物体等；
所述左通道加密密钥（6）为一相位编码板，可为随机相位板、
所述右通道解密密钥（15）为与左通道加密密钥（6）相匹配的
4.如权利要求1、2所述的基于光学扫描的目标的光学图像加密
A.所述激光器（1）输出光束经过λ/2波片（2）变为圆偏振光，
相
方法，其特征是，还包括步骤：
相位解码板。
空间相位调制器、二值相位板等；
法，其
制器（18）连接控制。
经扩束准直器（3）后变为准直平面波，入射到能量分束器（4）后分
为两路输出，其中一路圆偏振光入射到第一发射偏振分束器（5）后
分为偏振正交的左右两路光束，左通道加密密钥（6），右通道空间
位调制器（7），左路和右路光束通过第二发射偏振合束器（8）
偏振正交的同轴同心光束，再经二维运动的第一光束扫描器
射到目标（10）上对目标进行二维扫描，然后由光学发
合成
（9）照
射天线（11）
接收；
将加密信号发射出去，经由光学接收天线（12）
B.所述能量分束器（4）发出的另一路圆偏振光，经第三发射偏
振分束器（13）分为偏振正交的左右两路光束，左路光
通道空间相位调制器（14），右路光束通过右通
路光束经过第四发射偏振合束器（16）合
同步扫描控制第一光束扫描器（9）
维扫描，产生用于解密的扫描光斑
收；
束直接通过左
道解密密钥（15），两
束后，再由同步控制器（18）
和第二光束扫描器（17）进行二
信号，经由光学接收天线（12）接
C.由光学接收天线（12）接收到的用于解密的扫描光斑信号和目
标的加密信号，经接收偏振分束器（19）后变为P偏振和S偏振光分
别作为信号光和本振光输入到空间光学桥接器（20）后，经上路平衡
探测器（21）和下路平衡探测器（22），将空间光学桥接器
出的4路光信号转换为同相cos通道和90度sin通道的
度位相差的信号，由多通道数据采集控制系统（23）后，
器（24）后解密输出所加密的目标图像。
（20）输
两路具有90
经匹配滤波
5.如权利要求1所述的基于光学扫描的目标的光学图像加密方
特征是，所述第一光束扫描器（9）和左通道加密密钥（6），
法，其
第二光束扫描器（17）和右通道解密密钥（15）均由同步控制器（18）
同步控制，第一光束扫描器（9）对目标进行扫描，左通道加密密钥
（6）的相位编码板同步对扫描图像进行加密，与此同时第二光束扫
描器（17）也同步扫描，右通道解密密钥（15）的相位解码板也同步
产生解码密钥。
说 明 书
技术领域
本发明涉及光学图像加密技术领域，具体指一种基于对
同心相位二次项偏振正交双光束扫描的光学
学或数字计算解密，能够对目标
背景技术
曾几何时，美国的“棱镜”计划，全球舆论鼎沸，人们反思在大
人隐私与公共安全问题。众所周知，随着互联网和各种
的广泛应用，信息在通信和存储中的安全性已成为信息
的重点。其中对所传递的信息或图像进行加密是一种重
但传统加密技术主要依靠计算机或数字信号处理器
实现，这些方法受到信息处理速度和成本的限制。
应运而生的基于光学理论和方法的信息加密技术是当今信息安
的重要新技术领域。将光学理论和相关技术应用到信息加密领
很多独特优势，首先是光学信息处理具有高度并行处理信息的
同时光学信息处理系统本身可以整体互联，这些特点保证光学
理能够对大量数据进行高速处理。不仅如此，基于光学的信息
术具有非常大的自由度可供选择，例如光的振幅，相位，偏振，
光强和光学元件的参数都可以作为加密参数，还可以运用光的
全领域
域具有
能力，
信息处
加密技
波长，
数据时代的个
信息传递技术
安全领域研究
要的技术手段。
目标进行同轴
图像加密数据收集，采用光
实现高分辨率成像的同时进行加密传输。
(DSP)等电子手段来
衍射、干涉、成像、滤波等多种光学原理实现多种变换。这些
基于光学理论和方法的信息加密技术获得了科研人员大量的关
时也极大的促进了信息加密技术的迅速发展。由于光学系统在
优点使
注，同
信 息处理上具有高速并行的处理能力，因此利用光学处理技术
来加密图像或信息成为近年来的研究热点。
国内外很多人开展了光学图像加密技术的研究，通常采用傅立叶
数字全息、菲涅尔变换、夫朗和费衍射、光学相关等光信息处
来达到对信息加密的目的。双随机相位编码是最经典的一种
技术，之后发展成多种形式并被不断改进。1995年，
变换、
理方法，
光学图像加密
ier等
现，把两块统
傅立叶平面，
白化谱密度分
扩展到
三维密
相结合，
[1]提出了双随机相位编码方法，采用4f系统来实
计无关的随机相位掩模分别置于光学系统的输入平面和
分别对原图像的空间信息和频谱信息做随机扰乱，从而
布，达到加密目的。Motoba等[2]将双随机相位编码技术
菲涅耳域，将两块随机相位板的位置信息作为加密过程中的第
钥，用光折变全息材料记录密文信息，将数据存储与光学加密
扩大了加密过程的自由度，增强了加密的安全性。但是，双
方法虽然具有很高的安全防伪力度，但随机相位掩模制
术含量很高，一般的光学处理系统难以实现,这在很大
际应用。
随机相位编码
备与处理的技
程度上限制了它的实
Rosen等[3]提出一种空间非相干菲涅尔数字全息的加密方法，利
2003年，Poon等提出一种基于费涅尔波带片（FZP）扫描全息的 三维光
用液晶空间光调制器，将光场波前分为平面波和会聚球面波，利用两
者相互干涉，记录三步相移数字全息图，还设计了基于非相干光的荧
光三维全息显微镜。但是，采用数字全息和相移干涉法的加密系统中
需要用光电探测与成像器件CCD或CMOS来记录全息图或干涉图，每
幅原始图像都需要加密到两、三幅以上的干涉图，海量数据信息的处
理速度慢，而且接收视场很小，所加密的图像信息是近距离的静止目
标。
学密码术[4]，它对于物体投射一个二维扫描的激光干涉形成的
菲涅尔波带片光斑，形成该光斑的其中一束激光加随机相位板作为加
密密钥。这样每个物体点被编码成为一个二维菲涅尔波带片并且转化
为时间流信号，解码阶段把加密的时间信号转化为空间相位信号，采
用空间光调制器经过衍射重构出物体图像，实现目标的解密。Sun等
[5]在此基础上，提出一种简化的FZP扫描编码成像系统。但是，基于
FZP扫描的光学加密技术存在一些缺点：加密过程中产生可见的菲涅
尔波带片光斑扫描，容易造成信息的窃取和丢失，抗攻击性能差；采
用声光调制器以及余弦拍频和正弦拍频解调实现信号处理，电子处理
系统复杂，从而失去了光学加密系统处理速度的优势。
[1]ier,,Optical image encryption based
[2],,Double random-phase encoding in
[3],,,Optical image encryption with
[4],,,Optical scanning
[5],,Method for reduction of background
发明内容
artifacts of images in scanning holography with a
Fresnel-zone-
plate coded aperture,.,43(20): 4214-4218,2004.
cryptography for secure wireless transmission,Applied Optics,
42:6496-6503,2003.
spatially incoherent illumination,.,38:1289-1291, 2013.
Fresnel domain,.,29:1584-1586,2004.
on input plane and fourier plane random encoding,.,
20(7):767-769,1995.
本发明的目的是针对现有技术中存在的缺陷和不足，提
学扫描的目标的光学图像加密方法，其原理是
二维扫描的由两个同轴同心偏
片光斑；由于产生
际上
出一种基于光
对于要加密的目标投射一个
振正交的球面波组成的隐形的菲涅尔波带
该菲涅尔波带片的两路光的偏振态是正交的，因此，实
在空间中菲涅尔波带片是不存在的，称之为隐形的菲涅尔波
振态旋带片光斑，它只有在其中一路光路中加入λ/4波片使得偏
转90度后才能和另一路光相互干涉产生菲涅尔波带
的菲涅尔波带片光斑和相位密码板相结
一次可将目标编码成一个
同时将加
片光斑。利用该隐形
合，对目标进行二维扫描，每扫描
加密的菲涅尔波带片结构的复数二次项相位分布，
密信号通过光学发射天线发射出去。光学接收天线接收到的
用光学目标的加密信号的回波转化为时间流信号，光学接收天线采
桥接器和平衡探测器相干接收，在解密密钥的作用下，
滤波器重现目标图像，实现解密过程。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种基于光学扫描的目标的光学图像加密方法，包括加
过程，其特点是，所述加密路径依次经激光器、
器、能量分束器、第一发射偏振分束器
空间和相位调制器后，合
标、光学发
最终通过匹配
密过程和解密
λ/2波片、扩束准直
经平行的左通道加密密钥和右通道
并与第二发射偏振合束器、第一光束扫描器、目
射天线以光路方式连接构成。所述解密路径依次光学接收天
位调制线，能量分束器与第三发射偏振分束器经平行左通道空间相
器和右通道解密密钥后，与第四发射偏振合束器、第
控制器、接收偏振分束器、空间光学桥
上路平衡探测器和下路平
配滤波器及
所述激光器为任意波长λ的连续激光器。
二光束扫描器、同步
接器以光路方式连接，并与平行的
衡探测器经多通道数据采集控制系统合并，经匹
图像输出和显示器以电信号方式连接构成。
所述目标可为二维物体、文档、图像或者三维物体等。
所述左通道加密密钥是一个相位编码板，可为随机相位
调制器、二值相位板等。
所述右通道解密密钥是和左通道加密密钥相匹配的相
所述第一光束扫描器和左通道加密密钥，第二光束扫描
密密钥是由同步控制器同步控制的，第一光束
通道加密密钥的相位编码板同步
器和右通道解
位解码板。
板、空间相位
扫描器对目标扫描一次，左
对扫描图像进
行加密，同时第二光束扫描器也同步扫描一次，
位解码板也同步产生解码密钥。
右通道解密密钥的相
本发明一种基于光学扫描的目标的光学图像加密方法
其步骤包括：
激光器输出光束经过λ/2波片变为圆偏振光，经扩束准直器后
波，入射到能量分束器后分为两路输出，其中一路圆偏
一发射偏振分束器后分为偏振正交的左右两路光束，左
右通道空间相位调制器，左路和右路光束通过第二发
振正交的同轴同心光束，再经二维运动的第一光
上对目标进行二维扫描，然后由光学发射天线将
经由光学接收天线接收。
能量分束器发出的另一路圆偏振光，经第三发射偏振分束器分为
和偏振正交的左右两路光束，左路光束直接通过左通道空间相
器，右路光束通过右通道解密密钥，两路光束经过第四发射偏
变为准直平面
振光入射到第
通道加密密钥，
射偏振合束器合成偏
束扫描器照射到目标
加密信号发射出去，
等光强
位调制
振合束
器合束后，再由同步控制器同步扫描控制第一光束扫描器和第
扫描器进行二维扫描，产生用于解密的扫描光斑信号，经由光
天线接收。
光学接收天线接收到的用于解密的扫描光斑信号和目标的加密
接收偏振分束器后变为P偏振和S偏振光分别作为信号光和本
入到空间光学桥接器后，经上路平衡探测器和下路平衡探测器，
光学桥接器输出的4路光信号转换为同相cos通道和90度sin
有90度位相差的信号，由多通道数据采集控制系统后，
本发明的基于光学扫描的目标的光学图像加密方法与
以下明显的特点：
（1）基于光学扫描和相位编码技术，对三维物体或探
辨率成像的同时进行实时加密传输。
（2）采用隐形的菲涅尔波带片光斑对目标进行光学扫
图像信息传递的安全性大大提高。
（3）解密过程采用空间光桥接器实现回波信号的复数
频调制和拍频解调，电子电路系统大大
度快。
附图说明
图1是本发明基于光学扫描的目标的光学图像加密方法
二光束
学接收
信号经
振光输
将空间
通道的两路具
经匹配滤波器后解密输出所加密的目标图像。
现有技术相比，具有
测目标能够实现高分
描，保密性好，光学
解调，不需要声光光
简化，而且光学信息传输和解码速
的原理框图；
图2是本发明实施例中的原始图像；
图3是本发明实施例中采用的加密密钥的二值相位板示
图4是本发明实施例中解码密钥完全匹配时的输出图像；
图5是本发明实施例中错误解码密钥情况下的输出图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述
一种基于光学扫描的目标的光学图像加密方法（如附图
括加密过程和解密过程，其特点是，所述加密
波片2、扩束准直器3、能量分
左通道加密密钥6
束器
意图；
1所示），包
路径依次经激光器1、λ/2
束器4、第一发射偏振分束器5经平行的
和右通道空间相位调制器7后，合并与第二发射偏振合
8、第一光束扫描器9、目标10、光学发射天线11以光路方
器4与式连接构成；所述解密路径依次光学接收天线12，能量分束
第三发射偏振分束器13经平行左通道空间相位调制
密钥15后，与第四发射偏振合束器16、
18、接收偏振分束器19、
的上路平衡
器14和右通道解密
第二光束扫描器17、同步控制器
空间光学桥接器20以光路方式连接，并与平行
探测器21和下路平衡探测器22经多通道数据采集控制系统
方式连23合并，经匹配滤波器24及图像输出和显示器25以电信号
接构成。
本发明的一个实施例：
所用激光器1为光纤激光器，波长为1.55μm的红外激
光。
目标10为30mm×40mm大小的图像为目标（如图2所示）。
光学发射天线11和光学接收天线12口径均为50mm。
加密通道中，左通道加密密钥6为0，π交替的二值相
编码距离zc=300mm。
进一步描述，右通道空间相位调制器7的孔径函数
第一光束扫描器9和第二光束扫描器17采用扫描路径为斜率为
位板（如图3所示），
pc2(x,y)＝δ(x,y)，即点源球面波。
45度
直线的线性扫描方式，xt＝x0+vtcosθ，yt＝
x0+vtsinθ，其中(x0,y0)
始坐标，v为扫描速率，水平方向的扫描频率选为20Hz，
描速率选为1Hz。
空间光学桥接器20为有效通光口径10mm的2路输入4路输出的
空间光学桥接器。
光学接收天线12接收到的信号经第一偏振分束器5、第二偏振
8、第三偏振分束器13、第四偏振分束器16后变为P偏振和
作为信号光和本振光输入到空间光学桥接器20后，利
21和下路平衡探测器22将空间光学桥接器20输
为同相cos通道和90度sin通道的两路具有90
如果，解密密钥和解码距离完全匹配时输出的解密图像（如附图 4所
附图
分束器
90度
为扫描光斑初
垂直方向的扫
S偏振光分别
用上路平衡探测器
出的4路光信号转换
度位相差的时间信号。
示）。反之，错误解密密钥和正确解码距离情况下的输出图像（如
5），由图可以看出，在解密密钥不正确的情况下，即使解码距
也不能得到正确的解密输出图像，保密性高。
据此，本发明可概括为：
（1）基于光学扫描和相位编码技术，对三维物体或探测目标能
高分辨率成像的同时进行实时加密传输。
（2）采用隐形的菲涅尔波带片光斑对目标进行光学扫描，保密
光学图像信息传递的安全性大大提高。
（3）解密过程采用空间光桥接器实现回波信号的复数解调，不
光光频调制和拍频解调，电子电路系统大大简化，而且光学信
和解码速度快。
综上所述，本发明一种基于光学扫描的目标的光学图像加密方法，
上重要特点，在为解决互联网信息安全，特别提高建立在光学
息传递的安全性方面提供了坚实的技术物质基础，它具有适用
结构简单，效率高，安全性好等的优势。
离相等，
够实现
性好，
需要声
息传输
基于以
图像信
面广，
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