Lensless optical encryption with speckle-noise suppression and QR codes

Abstract

The majority of contemporary optical encryption techniques use coherent illumination and suffer from speckle-noise pollution, which severely limits their applicability even when information encoded into special “containers” such as a QR code. Spatially incoherent encryption does not have this drawback, but it suffers from reduced encryption strength due to formation of an unobscured image right on top of the encrypted one by undiffracted light from the encoding diffraction optical element (DOE) in axial configuration. We present a new lensless encryption scheme, experimentally implemented with two liquid crystal spatial light modulators, that does not have this disadvantage because of a special encoding DOE design, which forms desired light distribution in the photosensor plane under spherically diverging illumination without a converging lens. Results of optical experiments on encryption of QR codes and successful information retrieval from decoded images are presented. Conducted analysis of encryption strength demonstrates sufficiently high key sensitivity and large enough key space to resist any brute force attacks.

Encriptación de información mediante procesamiento óptico

“…Posteriormente, se hizo la demostración experimental (Barrera-Ramírez, et al, 2014a) utilizando una arquitectura óptica de correlador de transformada conjunta, una llave de seguridad aleatoria y física, y, como contenedor de información, un código QR (Barrera-Ramírez Estas dos contribuciones demostraron que los sistemas ópticos de protección de información son una alternativa a los sistemas de protección digitales y de hardware (Barrera-Ramírez, et al, 2013a; Barrera-Ramírez, et al, 2014a), generando un gran impacto en la comunidad científica internacional y revitalizando el área de los sistemas ópticos de encriptación (Graydon, 2013;Treacy, 2013). Se debe destacar que estas contribuciones dieron lugar al inicio de una línea de investigación en encriptación óptica de información empleando contenedores de información, la cual ha generado aportes respaldados por sistemas experimentales coherentes ( Barrera-Ramírez, et al, 2014b;Jaramillo, et al, 2018;Trejos, et al, 2015) e incoherentes (Cheremkhin, et al, 2017;Cheremkhin, et al, 2021a;Evtikhiev, et al, 2020;Wang, et al, 2020;), y sistemas ópticos-virtuales (Lin, et al, 2015;Sui, et al, 2017). Además, motivaron el surgimiento de nuevas líneas de investigación y desarrollo en torno al procesamiento óptico usando contenedores en procesos de autenticación de información (Blau, et al, 2020;Carnicer, et al, 2015;Chen, et al, 2018;Qin, et al, 2018a) y a la implementación de diferentes técnicas y materiales para la fabricación de contenedores (Li, et al, 2017c;Meng, et al, 2021a;Petriashvili, et al, 2018;Ponjavidze, et al, 2018;Wang, et al, 2021).…”

“…También se sigue trabajando para aumentar y mejorar la seguridad (Dou, et al, 2019), en algunos casos implementando experimentalmente esquemas en diferentes dominios ópticos y transformadas que involucran nuevos parámetros de seguridad (Jaramillo-Osorio, et al, 2020b;Vilardy, et al, 2019a;Vilardy, et al, 2019b). Otras líneas que se siguen desarrollando activamente son las encaminadas a lograr una reducción de ruido para mejorar la calidad de los datos recuperados y la encriptación óptica con recuperación libre de ruido (Cheremkhin, et al, 2021a;Cheremkhin, et al, 2021b;Evtikhiev, et al, 2020;Wang, et al, 2020), la encriptación de múltiples datos (He, et al, 2020;Wu, et al, 2019;Zhang, et al, 2022) e incluso, la combinación de técnicas de multiplexado y recuperación libre de ruido (Jaramillo-Osorio, et al, 2020b;Yan, et al, 2019). Debido a que los sistemas ópticos de encriptación han demostrado su gran potencialidad para aplicaciones prácticas, una de las líneas más activas actualmente es el criptoanálisis, en la cual se busca probar la seguridad de los sistemas ópticos de encriptación adaptando en el dominio óptico algunos de los ataques que se usan exclusivamente en el dominio digital (Hai, et al, 2019;Jiao, et al, 2020;Wang, et al, 2019b;Wu, et al, 2021;Zhang, et al, 2021).…”

Lensless Optical Encryption of Multilevel Digital Data Containers Using Spatially Incoherent Illumination

“…The DOE's focal lens and distances determine system's optical magnification according to thin-lens formula, as well as the size of encoding DOE's point spread function and, therefore, the size of an encrypted image. In addition, the optical distance between SLM2 and camera must be known in order to construct the decoding filter as described in [49]. The tolerance for this distance when constructing decoding filter, according to our experiments on similar setup in [49], is ±0.5%.…”

“…In addition, the optical distance between SLM2 and camera must be known in order to construct the decoding filter as described in [49]. The tolerance for this distance when constructing decoding filter, according to our experiments on similar setup in [49], is ±0.5%. The optical distance between SLM1 and SLM2 was 34 cm, between SLM2 and the camera-38 cm, and DOE's focal length-19 cm.…”

“…As described in [49], if one possesses the information about the exact number of nonzero elements k, then the number of possible key combinations is:…”