基于矢量分解及双随机相位编码设计了一种光学图像加密系统。通过矢量分解将原始图像分解为两个相位模板, 其中一个相位模板通过双随机相位编码系统进行加密, 另一个相位模板作为额外的密钥, 参与图像的解密, 通过与解密光束相干叠加恢复出原始图像。数值模拟表明, 所设计加密系统具有较好的加密和解密效果, 以及较强的抗噪声和剪切攻击能力。相较于双随机编码系统, 文中加密系统通过矢量分解增加了一个密钥, 拓展了系统密钥空间, 且矢量分解破坏了加密系统的线性关系, 加密系统能够抵御唯密文攻击、已知明文攻击及选择明文攻击, 具有较高的安全性。

针对光学多图像加密出现的串扰噪声大和复用容量小的问题,提出了一种基于联合功率谱(JPS)分区复用的光学多图像加密方法。该方法首先利用相位恢复算法开展相位模板优化设计,压缩了单通道JPS面积,然后在优化后的相位模板上叠加线性相位,使各通道JPS在频谱面上产生不同的位置平移,再经过窗口滤波,实现无串扰叠加。此外,以“密钥相位核+偏转角数据包”形式进行密钥内容规划,在确保加密方法安全性以及密钥空间足够大的同时,压缩了需传递的密钥数据量。数值仿真结果表明,对9幅灰度图像进行加密,其解密图像与原始图像的相关系数值均达到0.94以上,解密效果显著。当解密质量评判阈值设定在0.95时,灰度图像和二值图像的最大压缩效率因子分别达到12和32,密文压缩能力显著。最后,搭建光学实验系统,进一步验证了该方法的可行性。

光学加密系统的稳健性直接决定其密文在存储和传输过程中的抗干扰能力,并且通常从密文抗裁剪和抗噪声干扰两方面来衡量。针对联合变换相关器光学并行加密系统的多图并行加密和任意图像再现的功能特点,仿真并分析其稳健性。结果表明,当密文面积受到50%裁剪时,各通道图像解密效果明显降低,部分解密图像与原始图像的相关系数(CC)低至0.2左右。分析其原因并对联合功率谱分布进行优化。仿真结果表明,加密系统不仅稳健性得到显著提升(当密文面积受到60%裁剪时,各通道CC值均大于0.49),且能保持优化前加密系统在抗噪声干扰方面的优势。最后,搭建光学实验系统,验证了该加密系统稳健性提升方法的有效性。

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。

为提高光学认证技术的安全性及实用性，提出了基于三维空间正交偏振态复用的光学多级安全认证方法。用所设计的多衍射平面多信号窗口相位恢复算法，生成两个相位模板，使由认证图像分割得到的子块图像分布于其三维菲涅耳衍射场的特定位置。一个相位模板作为系统锁，另一个作为认证密钥。用正交偏振光分别照明两相位模板，实现了三维空间衍射场内不同位置强度分布和偏振态分布的控制。只有同时具备认证密钥和三维空间正交偏振态映射密钥，才能恢复认证图像，模拟及实验结果与认证图像的相关系数分别为0.93 和0.79，表明该系统结构紧凑、安全等级高,可以实现分级认证。