cc 光学加密技术作为一种新的加密手段,近年来得到了快速发展,成为现代加密技术的重要研究内容之一。简要概括光学加密技术的产生和发展过程。就影响较大的几种光学加密技术,如双随机相位编码方法、基于分数傅里叶变换的加密方法、基于菲涅耳变换的加密方法、基于联合变换相关器的加密系统、利用离轴数字全息的加密系统和利用相移干涉技术的加密系统以及基于相位恢复算法的加密技术等作了分类评述和讨论。介绍各种加密方案的技术特点和实现方法,讨论实际应用中尚存在的问题,并对其应用前景作了进一步阐述。
信息的加密与防伪技术是当今信息安全领域中的重要内容，其中的光学和光电信息加密与防伪技术由于其并行性、高速度和低成本而倍受人们的青睐。 20世纪70年代，美国出现了一些光学安全技术专利。这些专利主要用于身份验证、 防伪等领域。
20世纪80年代末期，AmericanBanknoteHolographic公司利用全息防伪技术制作Visa和 MasterCard信用卡，满足了当时贸易和金融领域 的需求。此后十多年间，彩虹全息防伪技术得到了广泛应用。
20世纪90年代以后，计算机硬件、软件的发展以及Internet的产生将人们带入信息社会。各行各业对信息技术广泛应用，自然迫切地需要一种安全、高效的信息加密技术。传统加密技术主要依靠计算机或数字信号处理器(digitalsignalprocessing，DSP)等电子手段来实现，这些方法受到速度和成本的限制。一些研究人员自然地转向利用光学或光电方法加密。光学信息处理技术本身具有高速度、并行性的特点；光的波长短、 信息容量大；同时又具有振幅、相位、波长、偏振等多种属性， 是多维的信息载体。这些优点使得利用光学信息处理技术完成数据加密等任务与利用电子手段相比具有天然的优势。
PhilippeRefregier等提出了双随机相位编码方法，这种方法具有较好的安全性和鲁棒性。从此光学加密技术进入快速发展时期。研究人员随后提出了基于分数傅里叶变换的加密方法、 基于菲涅耳变换的加密方法、基于联合变换相关器的加密系统、利用离轴数字全息的加密系统和利用相移干涉技术的加密系统等大量新的或改进的加密系统，使得光学加密领域的研究异彩纷呈。虽然目前光学加密技术的发展方兴未艾，但其前景不可估量。总的来说，与电子手段相比，现有的光学加密系统还存在一些缺点：可实施性、灵活性与稳定性都有待提高。
光学加密技术的历史回顾
1.双随机相位编码方法
PhilippeRefregier等提出了对图形或图像的双随机相位编码方法。 整个加密系统由一个4f系统和分别位于其输入平面和傅 里叶频谱面的相位掩膜构成， 如图1(a)所示。用准直相干光照射位于输入平面的原始图像f(x，y)，原始图像信息依次经过空间域和频 率域的两次调制得到加密结果。文字或图样等原始信息加密得到的结果q(x， h)是均匀分布的白噪声，因此达到了加密的目的。解密 过程是加密过程的逆过程，如图1(b)所示，把待解密的图像q(x，h)放在4f系统的输入平面，把加密过程中傅里叶平面上相位掩膜的复共 轭exp[-i2p(u，v)]作为解密密钥放在傅里叶频谱面，输出平面上得到的复振幅分布为f (x，y)exp[i2pf(x，y)]。由于原始图像f(x，y) 为强度分布，因此用CCD来探测这个复振幅分布就可以得到原始图像f(x，y)。
双随机相位编码方法具有并行、 高速、安全、成本低等特点，一经提出就受到了广泛关注。随后人们发现它有一些问题，如加密结果为复振幅分布、各掩膜位置需要精确对准等，因此相继提出了一些改进方案。归纳起来主要有以下几个方面：1)为了进一步提高安全性而提出了基于分数傅里叶变换和基于菲涅耳变换的加密方法等；2)双随机相位加密系统中各掩 膜的空间位置需要精确对准，因而给实际应用造成了困难，为此研究人员提出了基于联合变换相关器的光学加密系统；3)双随机相位加密系统的加密结果为复振幅分布，这给记录和传输带来了不便，为此研究人员提出了利用数字全息和相移干涉法的加密技术。
2.基于分数傅里叶变换的加密方法
分数傅里叶变换最早由VictorNamias在解决量子力学问题中提出，在光学中主要应用于相位恢复、光束整形、空间滤波、图像加密等领域。本节讨论它在图像加密领域中的应用。
一种基于分数傅里叶变换的加密方法把双随机 相位中的傅里叶变换替换为分数傅里叶变换 。让原始图像依次经过位于空间域的相位掩膜，阶数为a1的分数傅里叶变换，位于分数傅里叶变换域的相位掩膜，阶数为a2的分数傅里叶变换，得到加密结果，位于分数傅里叶变换域的相位掩膜和两个阶数共同作为解密密钥，加大了密钥空间，提高了系统安全性。解密为加密的逆过程。利用级联的分数傅里叶变换加密图像，加密的图像依次通过n个实现分数傅里叶变换的光学单元，具有极高的安全性。
3.光学加密在全息存储中的应用和基于菲涅耳变换的加密方法
最早的基于菲涅耳变换的加密系统， 来源于对全息存储(holographicstorage)进行加密的研究，因此本节将这两方面的进展结合起来论述。 全息存储具有高存储容量和高速多维数据读取能力等优点，具有广阔的市场前景，目前InPhaseTechnologies公司已经推出了商业化的产品。应用于全息存储的加密技术必须同样高速，才能在全息存储的高速读写过程中同步完成加密任务。
4.基于联合变换相关器的光学加密系统
联合变换相关器(jointtransformcorrelator,JTC)最早由Weaver和Goodman于1966年提出，具有对输入图像的平移不变性(shiftinvariable)，而且可以通过空间光调制器等光电器件实现实时化。它在信息安全领域中的主要应用是图像识别、身份验证和图像加密等方面，本节关注它在图像加密中的应用。
双随机相位加密方法要求高精度对准，解密密钥必须是加密密钥的复共轭， 这些都限制了它的实际应用。联合变换加密系统(jointtransformencryption system) 解决了这个问题。它是一个广义白噪声状的光强分布，可以作为加密的结果。解密过程采用的是一个4f系统结构，把密钥h(x，y)放在4f系统的输入平面，把加密结果，即联合相关功率谱放在傅里叶平面。则在输出平面上得到的结果中有一项为f(x，y)p(x，y)IFT|H(u，v)|2，其中H(u，v)为h(x，y)的傅里叶变换。如果|H(u，v)|=1，即|H(u，v)|是纯相位分布，则解密得到的强度分布就是原图像f(x，y)。
5.基于离轴数字全息的加密系统和利用相移干涉
技术的加密系统 数字全息技术(DigitalHolography，DH)由Goodman和Lawrence于1967年提出，他们用电子感光元件代替传统全息干板来记录全息图，然后利用计算机再现。由于数字记录介质和计算机水平的限制，直到近十几年随着高分辨率光电成像器件的出现以及计算机技术的发展，数字全息技术才得到迅速发展，并已经开始应用在变形测量、显微观测、信息安全等领域。而在信息安全领域中又主要应用在数字水印和信息加密两方面。数字全息水印是信息隐藏的重要方法，由NobukatsuTakai和YutoMifune于2002年 提出，目前还出现了三维物体水印和在菲涅耳 域中嵌入水印的方法。
6.利用相位恢复算法的光学加密系统
Johnson和Brasher提出了一种基于相位恢复算法(phaseretrieval)的加密技术。该方法的加密过程由计算机完成,利用相位恢复算法将原始图象加密到位于4f系统空间域或频率域的掩膜中。解密过程中，将加密所得掩膜及相应密钥掩膜放置到4f系统中，利用平面相干光照射恢复出原始图像。相位恢复算法是这种加密技术的关键，它保证两个纯相位掩膜可以在解密过程中恢复出原始图像。该方法中的掩膜可以用衍射光学元件(diffractiveopticalelement，DOE)或空间光调制器(spatiallightmodulator，SLM)代替。
本文介绍了近年来影响较大的光学加密技术，其他研究进展包括基于小波变换的加密系统，利用相衬技术(phasecontrast)的全相位加密系统，利用 平面集成微光学器件加密系统，偏振编(polarizationencoding)加密系统，虚拟(virtual)光学加密技术等。目前，光学加密已经有一些国外专著。从近年文献发表情况来看， 出现了许多综合运用多种技术的加密方法。这是由于前面介绍的利用单一技术的加密方法尚存在局限性， 研究人员希望取长补短，以提高加密系统的性能，或用于更多的应用场合。
