超构光学赋能矢量视觉密码技术，实现高安全性和快速解密

信息安全对于从防伪到电信等众多应用至关重要。为了防止信息泄露、追求信息的高安全级别，人们已经研究了各种数字密码技术。对于基于计算机的技术，长延迟和高计算能力是两个主要挑战。与电子密码技术相比，光学密码技术通常具有低功耗、高速并行处理和多维能力等优势，为保障信息安全打开了一扇大门。

据麦姆斯咨询报道，近日，由中国科学院光电技术研究所的罗先刚、蒲明博研究员领导的联合研究团队在Nature Communications期刊上发表了题为“Meta-optics empowered vector visual cryptography for high security and rapid decryption”的论文，提出了一种基于超构光学（Meta-optics）的矢量视觉密码的通用光学安全策略，该策略充分利用了光的丰富自由度和空间错位作为关键参数，显著提高了安全级别。得益于基于超构表面（metasurface）的矢量光学操控，复杂的加密程序可以通过紧凑型超构相机（meta-camera）进行逆向解密。本文提出的基于超构光学的矢量视觉密码策略具有尺寸紧凑、安全性高和解密速度快等优点，这可能为光学信息安全和防伪开辟一条途径。

在过去的几十年里，光学水印、隐写术和视觉密码（VC）等光学密码技术取得了重大进展。然而，早期的工作依赖于在傅里叶领域进行信号处理的多个光学组件的复杂组合，从而导致了庞大的外形尺寸。此外，由于传统光学器件的矢量光场操控能力有限，光的振幅、相位、频率、偏振等丰富的自由度在早期的光学密码中没有得到充分利用，导致安全性能有限。

近年来，超构表面——一种由亚波长纳米结构阵列构成的超薄光学元件，已被开发用于操控光的所有基本特性。通过组合多个超构原子（meta-atom）或不同的相移机制，人们可以设计单个超构表面以实现独立的多维光场操控。超构表面的紧凑性和多功能性使其成为光学加密的理想选择，它可利用各种机制，如利用马卢斯定律（Malus’s law）的多通道矢量全息图、灰度/彩色打印和全息图像的组合，以及基于相变材料或空间光调制器的可调谐超构全息图（meta-hologram）等。

然而，直到现在，矢量光的空间变化偏振特性在光学密码中还没有得到很好的利用，导致安全级别有限。通过调整输入和输出光的偏振态或入射波长，绝大多数全息密码技术存在可能被破解的风险。将超构表面与鬼成像或单像素成像相结合的开创性工作为解决集成问题和提高安全级别提供了思路。在最近的研究中，通过集成超构表面成像、视觉密码和计算成像，安全级别得到了提高。通常，由于计算成像的间接成像方式，隐藏图像的复原需要多次光学测量或额外的数字后处理。从本质上讲，这些方法背离了全光加密的初衷，导致其在一定程度上失去了并行、高速和低功耗等优点。

在本论文中，研究人员提出了一种被称为基于超构光学的矢量视觉密码的通用光学安全策略，该策略充分利用了光的丰富自由度和空间错位作为关键参数，显著提高了安全级别。研究人员还演示了一种解密超构相机，它可以实现逆向解密编码程序，用于隐藏信息的实时成像显示，避免冗余测量和数字后处理。本论文提出的策略具有尺寸紧凑、安全性高和解密速度快等优点，这可能为光学信息安全和防伪开辟一条途径。这些特性对未来的光学安全发展具有重要意义，特别是在被监视/窥视的环境中。

解密相机的概念和工作原理

为了解密光学密文图像，研究人员构建了一个基于矢量成像原理的用户定义的超构相机，无需复杂的数学运算或额外的计算硬件资源即可实现实时解密。如图1所示，解密超构相机包含两个独特的解密元件：a）自旋解耦的双轴超构透镜（metalens），可在密文图像的两个自旋副本之间产生像素级的空间错位和重叠；b）由连接到光电探测器的矢量偏振分析器构成的矢量传感器，用于快速安全显示。

图1 用于矢量视觉密码的基于超构光学的解密相机示意图

如图2a所示，在线偏振光（由σ = ±1表示的两个自旋态构成）的照射下，位于图像平面上重叠区域的任意像素（表示为Q）都是来自物平面上两个分离点（表示为Q+1和Q-1）的右旋圆偏振（RCP）和左旋圆偏振（LCP）分量通过自旋解耦双轴超构透镜的矢量相干合成的。

矢量视觉密码的实验演示与安全验证

为了进行概念验证演示，研究人员在10.6 μm波长下演示了矢量视觉密码技术 。他们利用在该波长下具有高透射率的全硅纳米柱作为超构原子，将其排列在一个周期和高度保持不变的正方形晶格中（px = py = 4.8 µm和h = 7.3 µm），如图2b所示。自旋反转光的振幅和相位作为宽度W和长度L的函数是通过有限元方法确定的，仿真结果如图2c所示。图2d显示了由不同几何形状和取向的全硅纳米柱构成的超构透镜的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图2 自旋解耦超构透镜的空间映射关系

图3a显示了矢量视觉密码的实验设置。适当的入射线偏振对于照明隐写密文（S1）至关重要，它在解密程序中充当第一密钥。S2和S3分别表示自旋解耦的超构透镜和矢量偏振分析器。为了验证系统的鲁棒性，研究人员制造并表征了三种具有二进制纯振幅（图3b）、二进制纯相位（图3c）和灰度复振幅（图3d）加密的光学密文。图3b-d的左、中、右面分别显示了这些光学密码的SEM图像、复振幅分布，以及仿真和测量的成像结果。测量结果与仿真结果基本一致，表明该系统具有检测和分析矢量光场的能力，能够有效地提取加密信息。

图3 实验设置和解密结果

图4a显示了用于表征图像保真度对入射和检测偏振方向的灵敏度的光学设置示意图，其偏振方向分别通过旋转两个法线偏振器P1和P2来控制。图4b–d显示了作为水平错位Su和入射偏振角θ1、检测偏振角θ2和垂直错位Sv的函数的图像保真度的二维图。图4e显示了隐藏二维码（在图4b~d中用不同颜色的圆圈表示）在不同关键参数下的仿真成像结果。结果表明隐藏的二维码可以在热点的中心精确地被重建。

图4 矢量视觉密码的安全验证

综上所述，本论文提出了一种解密超构相机和一种实时提取编码复振幅密文中隐藏图像的通用方法。研究人员设计并制造了三种具有二进制纯振幅、二进制纯相位和灰度复振幅加密的光学密文，以验证该方法对矢量视觉密码的灵活性。此外，研究人员还检验了基于超构光学的矢量视觉密码的高安全级别，这同时需要适当的入射偏振、正确的成像配置，以及匹配的矢量偏振分析器。受自旋解耦超构表面赋能的空间矢量编码的启发，基于超构光学的相机有望在不久的将来获得全光传感-计算能力，从而将传感和计算集成在一个超构器件（meta-device）中，而无需任何电子后处理。并行高速处理和多维操控的能力可能为矢量光场研究以及智能感知和识别开辟一条途径。

这项研究工作获得了中国国家自然科学基金（62175242、62222513、U20A20217）、四川省科技计划（2021ZYCD002）、中国博士后科学基金（2021T140670）、国家重点研发计划（SQ2021YFA1400121）、中国科学院青年创新促进会（2019371）的支持。

论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-37510-z