南昌大學(xué)王啟勝教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué)楊宗銀教授團(tuán)隊(duì)在研究中使用賽恩科學(xué)儀器（SSI）的鎖相放大器OE1022和低噪聲電壓前置放大器 OE4001，實(shí)現(xiàn)了高度關(guān)聯(lián)圖像空間分布特征的微伏級(jí)熱電勢(shì)精確提取。

【正文】
南昌大學(xué)王啟勝教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué)楊宗銀教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名光學(xué)期刊《Optics Express》上發(fā)表題為“Optical image encryption with photo-thermoelectric device”的研究成果。該研究提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助的光熱電（PTE）探測(cè)器的超寬帶圖像加密技術(shù)。系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了從可見光到中波紅外波段的光學(xué)圖像直接電學(xué)編碼與高保真解碼，在無(wú)需復(fù)雜光學(xué)調(diào)制元件的情況下，使測(cè)試圖像的平均峰值信噪比（PSNR）達(dá)到43.3，結(jié)構(gòu)相似性（SSIM）達(dá)0.98。

傳統(tǒng)光學(xué)圖像加密技術(shù)雖然具有低功耗和并行處理優(yōu)勢(shì)，但嚴(yán)重依賴體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)（如空間光調(diào)制器與各類透鏡）。近年來(lái)興起的超表面加密技術(shù)雖然顯著減小了體積，但受限于光敏材料的本征吸收特性，難以實(shí)現(xiàn)多波段、寬光譜范圍的加密操作。更為致命的是，現(xiàn)有的超表面加密通常維持單一的加密層級(jí)，這意味著攻擊者可以通過(guò)直接變換入射光條件（如波長(zhǎng)、角度、偏振）來(lái)破解并提取隱藏信息，存在較大的安全隱患。

為突破上述技術(shù)瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用具有優(yōu)異寬譜響應(yīng)和極快響應(yīng)速度（微秒級(jí)）的單晶硒化鉛（PbSe）薄膜作為核心光熱電加密器件。當(dāng)載有圖像信息的光場(chǎng)投射到PbSe薄膜表面時(shí)，由于強(qiáng)烈的載流子散射，迅速形成具有數(shù)千開爾文溫度的非平衡熱載流子。這些熱載流子在溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下向四周擴(kuò)散，將二維空間光強(qiáng)分布（圖像信息）直接轉(zhuǎn)化為薄膜表面的二維溫度梯度分布。研究人員在薄膜邊緣對(duì)稱設(shè)計(jì)了四個(gè)輸出電極，通過(guò)光熱電效應(yīng)，將這種空間熱分布差異精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為四路完全不同的電壓輸出（高度壓縮的密文）。

在解密階段，極度壓縮的四路電壓信號(hào)無(wú)法直接還原為圖像。研究團(tuán)隊(duì)巧妙引入了超分辨率雙線性插值算法，將這4個(gè)一維電壓信號(hào)重塑并擴(kuò)展為64×64的二維特征矩陣，隨后將其輸入至預(yù)先訓(xùn)練好的U-net深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行圖像重構(gòu)。更重要的是，對(duì)于可見光（VIS）、短波紅外（SWIR）和中波紅外（MWIR）三種不同波段照射產(chǎn)生的電壓信號(hào)，必須使用對(duì)應(yīng)波段訓(xùn)練的專屬U-net網(wǎng)絡(luò)作為“密鑰”才能成功解密，波段與網(wǎng)絡(luò)不匹配將導(dǎo)致解密徹底失敗，從算法層面構(gòu)建了多通道的安全壁壘。

圖1.光熱電加密的實(shí)驗(yàn)原理。
(a)多波段光熱電加密與深度學(xué)習(xí)解密過(guò)程的示意圖。
(b)U-net網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包含兩類操作：下采樣與上采樣，以及跳躍連接（skipconnection）。
(c)PbSe光熱電編碼器件。展示了具有多電極結(jié)構(gòu)的PbSe薄膜器件的光學(xué)顯微圖像。
(d)器件的I-V傳輸特性曲線。V1、V2、V3和V4代表四個(gè)電極的輸出電壓。
(e)光學(xué)數(shù)字圖像“0-9”對(duì)應(yīng)的四路輸出電壓信號(hào)。


圖2.所提出加密方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。
(a)解密圖像與原始圖像（明文）之間表現(xiàn)出極高的保真度（PSNR=43.3,SSIM=0.98）。
(b)解密性能的魯棒性與穩(wěn)定性測(cè)試。展示了不同隨機(jī)噪聲水平下的解密圖像結(jié)果，以及
(c)對(duì)應(yīng)的PSNR（藍(lán)色虛線）和SSIM（粉色虛線）。
(d)熱電解密性能穩(wěn)定性分析隨時(shí)間變化的PSNR和SSIM。


圖3.加密系統(tǒng)的抗干擾性能分析。
(a)用于抗干擾分析的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。
(b)在施加藍(lán)光和白光干擾前后，紅外圖像“7”的四路電壓輸出情況。干擾光在兩條藍(lán)色虛線之間的時(shí)段內(nèi)施加。
(c)存在干擾光環(huán)境下的圖像恢復(fù)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該加密系統(tǒng)極其出色的魯棒性與抗干擾能力。在高達(dá)±5.0uV的隨機(jī)電學(xué)噪聲注入下，解密圖像依然保持極高的辨識(shí)度。在強(qiáng)烈的藍(lán)光（LED）和寬譜白光（手電筒）等復(fù)雜背景光的直接照射干擾下，系統(tǒng)輸出的紅外圖像密文電壓未發(fā)生明顯突變，解密后的PSNR仍保持在32以上。此外，器件表現(xiàn)出極高的探測(cè)靈敏度，即使在0.706mW/mm²的極低入射光功率下，依然能夠?qū)崿F(xiàn)高保真的圖像加解密操作。

該系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)光學(xué)加密所需的大量復(fù)雜光機(jī)組件，實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)代集成電路的高度兼容。其涵蓋可見光至中波紅外的超寬帶加密能力完美覆蓋了關(guān)鍵的大氣通信窗口（如1-3µm及3-5µm波段）。結(jié)合深度學(xué)習(xí)解決非線性映射的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)在減輕系統(tǒng)載荷、降低功耗以及實(shí)現(xiàn)空地一體化高維度安全通信等前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出了應(yīng)用潛力。

【相關(guān)論文】
✽Qiu M C, Chen J M, Chai X C, et al. Optical image encryption with photo-thermoelectric device[J]. Optics Express, 2025