叠层干涉成像术在光学信息安全中的应用研究

Ptychographic interferometry imaging (PII) is proposed and is applied in optical information security. Since PII combines both advantages of ptychography imaging and holographic imaging, it is anticipated that the application of optical information security based on PII is able to achieve the excellent balance between the system complexity and the decryption quality. The pot neck problem of applying in the practice is to be resolved in the field of optical information security. This project will construct the whole theory and the corresponding techniques of PII. The project will focus on PII related to the common illuminations and diverse illuminations and its application in optical security. How the reconstruction algorithm influents the decrypted quality, the system performance of resistance to different attacks with respect to optical cryptanalysis, and the robustness and the security of the system will all be researched. Furthermore, the typical applications such as the strategy of phase key choosing and distributions, and the encryption for three-dimensional information also will be included in our research.

本项目提出了叠层干涉成像术并与光学信息安全有机融合。该成像原理将融合传统叠层成像术的系统结构简单、全息干涉术的重构保真度高这两种典型优势，因而基于该原理的光学信息安全应用可望达到系统复杂性与解密质量上的良好平衡，以克服目前严重制约该领域发展的应用性瓶颈问题。本项目将开展叠层干涉成像术的相关理论与技术：围绕普通照明和异化照明的叠层干涉成像术及其加密应用，研究各种重构算法对解密质量的影响、系统对抗密码分析学攻击的性能、系统的鲁棒性与安全性等。同时探索基于该系统的位相密钥选通策略和分布构型、三维信息加密等多样化的应用研究。

首先，本项目提出了将叠层扫描操作引入数字全息术用以扩大视场（即叠层干涉成像术），并在此基础上提出了相应的光学图像加密技术。加密时，以叠层扫描的方式移动秘密图像同时将其相移干涉图记录为一系列密文；解密时，使用叠层迭代与全息处理相融合的重建算法恢复出明文。数值实验验证了该系统具有安全性高和视场大等优势。该技术在三维信息加密与图像隐藏方面也存在较好的潜力。其次，本项目提出了基于旋转相位编码与照明光束匹配的叠层衍射成像算法。该算法采用分块均匀分布的旋转相位调制器对衍射光进行调制，在探测面获得了相应的衍射图样。这种照明光束与相位匹配的方式有效地增加了解的约束条件，具有收敛速度快、抗噪声及抗位置偏差能力强等优点。与随机相位调制相比，该算法所引入的旋转相位调制器构造简单、使用便捷，因而在实时显微成像、超分辨成像等领域将具有一定的实用价值。再次，我们开展了可见光域叠层衍射成像的相关实验。运用模拟实验和光学实验研究了叠层衍射成像中波长数量和噪声对复原结果的影响。模拟结果表明在多波长叠层衍射成像中，复原质量随波长数量的增加而不断提高并最终达到一定极限；光学实验以不同样品进行实验验证，进一步研究了增加波长与随之引入噪声及系统复杂度间的制约关系。研究发现，并非波长越多成像效果越好，而可能存在一个最优的成像条件（利用本课题组所搭建的实验装置，在双波长照明条件下取得了相对最优的成像效果）。该结论对提高叠层衍射成像的质量具有较好的现实意义。同时，我们还提出了在已知明文攻击策略下对抗相移干涉光学加密系统的解析攻击方法。攻击者可利用该方法得到准确的解密密钥和完美的攻击结果。这一工作首次证实了基于相移干涉的光学加密系统对于已知明文攻击攻击的脆弱性。