基于超構光學的全光矢量視覺加密技術

信息安全對于防偽、通信等眾多應用至關重要。近年來，光學加密因其具備并行、高速和低功耗等優(yōu)點而備受關注。然而，光的豐富自由度在早期的研究中沒有得到充分利用，信息的安全性有限。光學加密結合計算成像是增強安全性的有效方法，但它需要多次光學測量或額外的數(shù)字后處理來恢復隱藏的圖像。從本質上講，基于計算成像的間接成像方式偏離了全光加密的初衷，導致其原有的全光處理優(yōu)勢在一定程度上喪失。全光化的信息加密技術是網(wǎng)絡及信息安全領域的重要發(fā)展趨勢，但當前技術的安全性、加密復雜度以及解密速度之間存在相互制約的關系。

受成像過程中的光的矢量特性啟發(fā)，中科院光電所矢量光場研究中心的研究人員基于非對稱光子自旋-軌道相互作用（Opto-Electron. Eng. 44, 319-325 (2017); Adv. Funct. Mater. 27, 1704295 (2017)），結合空間位錯矢量合成方法以及類懸鏈線結構的空間非均勻偏振選擇特性，提出了矢量視覺加密技術，構建了矢量光學全光密碼系統(tǒng)，能夠同時兼顧高安全和實時解密。

相關成果以“Meta-optics empowered vector visual cryptography for high security and rapid decryption”為題發(fā)表在期刊Nature Communications上（DOI: 10.1038/s41467-023-37510-z）。 近日，廈門大學洪明輝院士在Opto-Electronic Advances以“All-optical vector visual cryptography with high security and rapid decryption”為題發(fā)表評述（DOI: 10.29026/oea.2023.230073），認為該技術在全光圖像處理和智能識別方面的潛力，為構建兼顧高安全和實時解密的緊湊型信息安全、防偽等系統(tǒng)提供了有效的解決方案。

圖1.矢量光學全光密碼系統(tǒng)示意圖

該技術的物理核心是自旋解耦雙軸超構透鏡實現(xiàn)的按需自旋合成，具體物理過程包括復振幅光學密文的自旋分割、單對雙或雙對單的空間映射、空間位錯復雜干涉等。如圖1所示，解密系統(tǒng)由自旋解耦雙軸超構透鏡（頂部展示了其相位分布）和矢量解偏傳感器（如插圖所示）組成。自旋解耦雙軸超構透鏡將編碼的光學密文分為兩個具有相反自旋態(tài)的副本，然后將它們投影到像平面，并產生橫向空間錯位和重疊（圖1底部）。每個像素處的偏振旋向和相位分別由圓形箭頭的方向和短導線的方位角表示。作為編碼過程的逆過程，位于像平面上重疊合成的矢量光場經(jīng)匹配的矢量解偏器的幫助下可以再現(xiàn)光學密文中的隱藏圖像。相反，如果人眼或者在其它普通成像系統(tǒng)下，所觀察到的光學密文呈透明窗口和馬賽克圖樣，這取決于密文的編碼方式是純相位、純振幅還是復振幅。

該技術充分利用了光的波長、振幅、相位、偏振等自由度，使得系統(tǒng)的密鑰非常豐富，從光學密文中獲取隱藏信息需要焦距、軸距、工作波長及偏振均匹配的雙軸超構透鏡，空間分布完全匹配的矢量解偏器，以及密文、超構透鏡和矢量解偏之間匹配的相對空間位置和旋轉角。這些豐富的密鑰使得該技術難以被試錯法攻破，與標量視覺密碼學和偏振復用全息術相比，顯著提高了安全級別。

用于矢量視覺加密術的全光解密超構相機示意圖 值得注意的是，雖然系統(tǒng)所需的密鑰較多，但解密速度很快。整個解密過程由圖2所示的集成化超構相機通過光學成像的方式完成，實現(xiàn)“所見即所得”，無需多次測量和額外圖像后處理。因此，相較于雙隨機相位編碼、全息與計算成像結合等光學加密技術，該技術在系統(tǒng)緊湊性、實時性、便捷性等方面更具優(yōu)勢。

審核編輯：劉清