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光学信息安全技术是近现代光学与数字化信息安全技术相结合而衍生出来的一门新兴的交叉学科。光学信息安全技术得益于信息光学技术固有的特性，与传统信息安全技术相比有着不可比拟的优势，例如，光学信息可以在高维度空间中进行大容量的并行处理和光速运算操作;并且复杂的光波形式具有很高的设计自由度，如振幅、相位、偏振、带宽、非线性变换、量子属性等，这些都可以在许多方面使信息加密更加安全。 非对称（公钥）密码学作为现代密码学的重要分支，安全性一直以来都是其面临的核心问题。将光学原理和数字加密的方法进行结合，从多个尺度分析和构造基于非线性光学变换的高安全性非对称光学加密系统，具有非常重要的研究意义。水印技术由隐藏技术发展而来，而水印技术保护的是携带有水印信息的载体，是认证和防伪的有效工具。利用光学技术开发出新型的数字水印将有着较高的实用价值，但是其安全性和光学易操作性之间的矛盾一直未能得到有效的解决。 本文从光学的衍射理论出发，应用衍射成像技术来分析和研究非对称光学加密系统，以及提出一种具有实时、易操作性的新型数字水印技术。本文首先对基于等模量分解(Equal Modulus Decomposition)的纯相位型非对称光学加密系统进行了密码学分析，利用GS相位恢复算法的核心思想，提出了有效的迭代恢复攻击模型。然后在此基础上，设计了两种提高系统安全性的方案，即基于菲涅尔域矢量分解的非对称光学加密系统和基于随机模量分解的纯相位型非对称光学加密系统。这两种系统都能显著地扩大系统的密钥空间，有效地抵御迭代算法的攻击。最后对单次曝光叠层成像(Single-shot Ptychography)进行研究，提出了一种单次曝光叠层编码技术。鉴于该编码技术能够同时对复振幅的物体进行压缩和加密功能，并且编码图像信息具有较高的不可感知性，于是将该编码技术应用到数字水印之中。数值模拟和光学实验结果均表明该编码技术和数字水印技术都具有较高的安全性和实际应用可行性。本文采用基于矢量分解的叠加成像和相干衍射成像技术，深入探讨了衍射成像技术在信息安全中的应用，为推动光学信息安全技术的发展有着重要的作用。