为了兼顾水印算法的透明性与抗几何变换能力，引入光学加密方法，提出了基于相位截断菲涅耳变换与全变分分解的鲁棒水印算法。引入Logistic映射，通过对其迭代来获取混沌序列，以构建一个随机 掩码；基于Fresnel变换，联合随机掩码，对水印信息完成光学加密；再利用相位截断机制，得到2个私钥。借助全变分分解方法来处理宿主图像，获取卡通与纹理部分；引入离散小波变换(DWT)，分别对加密水印与纹 理部分实施分解，输出各自对应的子带信息；并将这些子带信息进行融合，通过可逆DWT方法，获取嵌入水印后的纹理信息；通过组合水印纹理部分与初始的卡通部分，形成水印图像。设计水印检测机制，在水印图像 中检索出编码水印，借助2个私钥来复原水印。测试数据显示：所提算法兼顾了理想的水印透明性与鲁棒性，在多种几何变换下，所复原的水印失真较小，对应的相关系数维持在0.9以上。

相关器的特性变化规律对其实际应用中参数的设定具有重要的指导意义。针对基于比累对切透镜的联合菲涅耳变换相关器, 通过数值仿真详细分析了比累对切透镜缝宽变化对相关器输出特性和空变特性的影响。结果表明, 比累对切透镜缝宽能一定程度地控制联合菲涅耳变换功率分布的有效面积、相关峰的尖锐度及其空变特性的敏感度。实验采用纯相位空间光调制器编码比累对切透镜相位掩模替代实体透镜的方式搭建了相关器, 实验结果与仿真结果一致性好, 进一步验证了上述结论的正确性。

为了解决多彩色图像加密后, 解密图像质量不佳、数据量大以及传输时速率慢的问题, 采用了一种基于小波变换和菲涅耳变换的多彩色图像加密方法, 加密过程中, 利用小波变换的多级分解特性提取每幅彩色图像的低频分量, 将低频分量分别重组为三元组图像（R, G和B）, 并且依次将三元组图像（R, G和B）通过菲涅耳域中的衍射加密系统, 对这3个三元组图像进一步加密, 从而实现了多彩色图像的加密。结果表明, 该方法不仅可以高质量地恢复原始彩色图像, 而且可以同时对4幅彩色图像进行加密, 提高了加密彩色图像的容量; 原始图像经过小波变换,其数据量压缩到原来的1/4, 有利于数据的传输和存储。该算法能够有效地同时对多幅色彩图像进行压缩和加密, 不仅提高了解密图像的质量, 并且具有较高的密钥敏感度和较好的鲁棒性。

使用纯相位空间光调制器编码线性相位掩模，实现了联合菲涅耳变换相关器。为分析空间光调制器相位调制误差对相关器相关性能的影响，数值模拟了不同相位调制误差下的相关输出，结果表明相位调制误差越大，相关器相关峰值越低，且相关峰半高宽越大。与双光楔联合菲涅耳变换相关器进行了实验对比，由于空间光调制器的相位调制精度低于光楔器件，实验结果表明双光楔联合菲涅耳变换相关器具有更高的相关峰值和更小的半高宽，与数值模拟结果相符。

使用纯相位空间光调制器编码线性相位掩模, 实现了联合菲涅耳变换相关器。单色平面波照明下, 通过线性相位掩模对参考图像和目标图像进行调制。在菲涅耳衍射场中心重合的平面上, 由CCD记录得到参考图像与目标图像的联合菲涅耳变换功率分布(JFTPD)。将联合菲涅耳变换功率分布输入光学傅里叶逆变换系统, 经光学傅里叶逆变换后在输出面上得到相关点。数值模拟和实验结果表明, 相关器输出尖锐的相关峰, 且相关峰值对参考图像与目标图像的相对位置比较敏感; 当参考图像与目标图像间距分别改变-30 pixel和+40 pixel时, 相关峰值分别下降至23%和48%。

为提高光学图像加密系统的安全性, 利用双光楔联合菲涅耳变换相关器和矢量分解设计了一种非线性光学图像加密系统。通过矢量分解将原始图像分解为两个相位模板, 其中一个相位模板f1(x)放置于双光楔联合菲涅耳变换相关器物窗口实现图像加密; 携带另一相位模板f2(x)信息的光束与解密系统输出的携带f1(x)信息的光束相干叠加得到解密图像。数值模拟了加密系统的加、解密过程, 对于灰度图像和二值图像, 当光楔楔角为1.8°和相位模板f1(x)与密钥k(x)的中心间距为18 mm时, 解密图像与原始图像的相关系数分别为0.812 7和0.810 9; 分析了密钥模板相位分布错误对解密效果的影响, 验证了加密方法的可行性。模拟分析表明, 密钥k(x)的位置和光楔楔角作为附加的密钥参量, 有效扩展了加密系统密钥空间, 并能抵御唯密文攻击、已知明文攻击和选择明文攻击。

针对基于菲涅耳域的双随机相位加密系统不能抵抗选择明文攻击的弱点,提出了一种基于振幅调制的菲涅耳域的图像加密方法。该方法通过在系统第二块随机相位板后面添加一个振幅调制密钥来实现加密,同时分析了该密钥的安全性,密钥参数对加密效果的影响。实验表明振幅调制密钥的密钥空间非常大,且正常解密时密钥吻合度要求非常高,攻击者很难获取原始图像的信息;另一方面引入振幅调制密钥后扰乱了系统固有的线性性质,添加非线性环节,从而提高了系统的抗选择明文攻击能力。研究可知:引入振幅调制技术后系统的安全性和抗攻击能力大大提高,加密效果良好。

提出一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密技术.这种相移干涉数字全息只要记录两幅干涉图，不需要记录物光波和参考光波的强度信息，就可以再现没有零级像和共轭像的再现像.物光波对应的光路经过两次菲涅尔变换，并结合双随机相位编码.参考光分别引入0和π/2相位，用数字化记录介质记录两幅数字全息图作为加密图像.解密时只要获得正确的密钥，经过简单的计算就可以重建清晰的原始图像.模拟实验验证了它的可行性和有效性，分析了抗裁剪和噪音的鲁棒性.

结合分数傅里叶变换及菲涅耳变换，在光学图像加密系统中分别具有多密钥性和无透镜性的优点，提出了基于分频域和菲涅耳域的光学图像加密方法。基于分数傅里叶变换的光学加密系统，引入菲涅耳变换及全息技术，使原有的加密系统在不增加光学元件的基础上提高了系统的安全性。理论分析和计算机仿真模拟证明了这种方法的可行性。

自动聚焦是显微数字全息数值再现中的一项关键技术。基于菲涅耳变换重建算法, 采用实验验证的方法, 对显微数字全息成像中六种典型聚焦评价函数的性能进行了对比研究。提出了利用再现像部分区域进行调焦判断的方法。结果表明, 这些函数都具有较好的单峰性、一致的调焦范围和准确性, 但与梯度运算相关的调焦函数运算时间太长; 傅里叶频谱函数调焦速度最快, 是首选的聚焦评价函数。选取再现像部分区域作为调焦计算区域, 可大大缩短调焦时间。对于低信噪比全息图, 利用维纳自适应滤波进行预处理及对再现像进行后处理, 有利于提高自动调焦的准确性及再现像的质量。