Small |?基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法

论文导读

      在现代信息时代，信息安全已成为一个极其重要的话题。由于对振幅、相位、偏振、轨道角动量等的灵活控制，光学加密具有很强的设计复杂加密系统的能力，并且超颖表面显示出操纵各种自由度以操纵光的潜力，这为光学加密领域打开了一扇新的大门。此外，超颖表面全息术可以通过复用方法在单个超颖表面上编码多幅图像，提高信息容量，进一步实现加密、防伪等应用，具有更高的安全性和保真度。然而，对于单个超颖表面，由于信息通道的限制，超颖表面全息术只能在光学加密领域实现固定和有限的信息加密。

      针对这些问题，近日北京理工大学黄玲玲教授团队发表最新文章，提出了一套基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法，利用改进的梯度下降算法设计具有空间复用的二值振幅全息图，选取纳米孔阵列作为超颖表面的结构单元，实现良好的二值振幅调制，将全息图的振幅剖面编码到超颖表面上实现单像素成像的掩模，并将单像素成像的重建图像作为全息显示中的寻址密钥，实现了光学加密（见图1）。实验结果均与理论预期非常吻合，并进一步结合实现了光学加密，充分证明了该设计方法的有效性。该研究成果以“Single pixel imaging key for holographic encryption based on spatial multiplexing metasurface”为题在线发表在Small。

      利用单个超颖表面的振幅调制作为媒介，结合单像素成像与全息成像，将单像素成像传输的图像作为超颖表面全息术的寻址密钥，实现了一种综合性能更佳的光学加密方案。该方案不仅能够提供防伪和提高光学加密的安全级别，还可以满足广泛的明文信息覆盖。

研究背景

      光学超颖表面可以通过调制不同的光自由度来提供高质量的多通道显示器，在下一代光学加密和防伪技术中显示出巨大的潜力。目前，研究人员提出的基于超颖表面的光学加密方法大多依靠全息显示实现，其能够传递的明文信息一般是固定或者容量比较小的，因此需要综合性突出的光学加密方法。

      另外，单像素成像作为一种典型的计算成像技术，从类似解密的计算过程中获取目标图像，也常常运用于光学加密中。单像素成像通过一系列掩膜图案对空间信息进行调制，再通过单像素探测器获取调制后的一维强度信息，最后计算两者之间的相关性来重建物体的图像，其中一系列的掩膜图案和强度值分别作为加密中的密钥和密文。

      若是利用单个超颖表面作为媒介，将全息术与单像素成像这两种技术联系在一起，势必能够产生综合性能更好的光学加密方案，也有望为超颖表面的其它应用带来新的活力。

技术突破

      针对上述背景，北京理工大学黄玲玲教授研究团队从基于纳米孔阵列单元结构的超颖表面出发，提出了一种具备防伪功能、高安全性和大明文覆盖范围的光学加密新方法。具体的，首先发送方将传递信息的全息图所对应在超颖表面上的位置信息编码成一串字符串信息，并加载到一幅二维码图片上。将该二维码图片作为单像素成像中的原始图像，利用上述产生的调制图案对该原始图像进行调制，通过一个单像素探测器将调制后的总强度信号进行收集，将该强度信号作为经过加密处理后的密文由公共频道传送出去。接收方将得到的强度信号根据单像素成像算法实现二维码图像的重建。通过扫描重建的二维码图像，能够得到其携带的字符串信息。利用得到的字符串信息作为全息显示中的寻址密钥，照射超颖表面所对应的区域，得到相应的全息再现图像，按照顺序解码出传递的明文信息（见图1）。基于以上方法，该方案可以实现具备防伪功能、高安全性和大明文覆盖范围的光学加密。

      在超表面全息的设计中，利用改进的梯度下降算法实现二值振幅恢复，将不同的再现图像分布在空间的不同位置，以生成在全息面上具有不同空间位置的多个图像信息的全息图。将水平位置相邻的再现图像对应的子全息图之间设置50%的重叠区域，实现全息图的空间复用，提高全息图的信息容量（见图2）。选取纳米孔阵列作为二值振幅调制超颖表面的结构单元，其中纳米孔阵列结构单元相当于振幅为“1”，其余部分相当于振幅为“0”。根据全息图上的振幅分布制作出对应纳米孔阵列分布的超颖表面，以实现照射超颖表面的不同子全息图区域，光学再现出所记录的不同图像。将该超颖表面作为单像素成像中的掩膜，通过超颖表面在空间上的移动方式产生一系列不同的调制图案，继而实现单像素成像。即利用产生的调制图案对原始图像进行调制，通过一个单像素探测器将调制后的总强度信号进行收集，并根据调制图案与强度信号之前的相关性重建出原始图案（见图3）。

      之后，研究团队对基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方法进行了实验验证。将“35/28/12/26”位置信息作为明文并根据上述方法加载到一幅二维码图片上。利用超颖表面作为空间光调制器将该二维码图像转换成强度信号，再根据单像素成像原理重建出该二维码图像。通过扫描该二维码能够可获得隐藏字符串信息，再将光束照射到超颖表面上对应全息图所在的特定区域，按照顺序解码出传递的明文信息“META”。如图4所示，重建的二维码图片和隐藏信息“META”的全息再现结果是令人满意的。

观点评述

      综上，研究团队提出的基于超颖表面的单像素成像密匙的全息加密方案，利用单像素成像的重建图像作为寻址密钥，可以在全息图上实现任意字母和数字的匹配，提高了信息传输的容量和自由度。更重要的是，由于全息图之间存在重叠区域，需要更精确的照明才能获得清晰的再现图像，这在很大程度上满足了光学加密的安全性。与传统的光学加密相比，本方案将单像素成像和超颖表面全息成像结合，这种综合性的加密方法不仅提高了加密信息的安全性，还增加了加密信息的容量和自由度，为光学加密领域提供了一条新的途径。

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