Dual Optical Encryption of Security Key and Data using 2-step Phase-shifting Digital Holography

2-step 위상천이 디지털 홀로그래피를 이용한 비밀키와

데이터의 이중 광암호화 기법

Dual Optical Encryption of Security Key and Data using

2-step Phase-shifting Digital Holography

김성량*_{, 길상근}*_{, 전석희}** *_{수원대학교 전자공학과,} **_{인천대학교 전자공학과} [email protected] 개방형 정보통신망이 사회 전반에 걸쳐 급속히 확산됨에 따라 정보통신 시스템의 보안 문제가 중요 시되면서, 이러한 보안문제를 극복하기 위해 광학적 데이터 처리 기법을 이용한 다양한 정보암호화 기 법이 제안되고 있다(1-3)_{. 본 논문에서는 정보 데이터를 표시하기 위한 SLM과 홀로그램을 직접 기록하기} 위한 CCD 카메라 그리고 PZT 거울을 이용하여 2-step 위상천이 디지털 홀로그래픽 정보 암호화 기법 을 이용하여 비밀키와 이진 데이터를 동시에 이중으로 암호화하는 기법을 제안한다. 제안된 시스템은 정보를 광학적 방법을 통하여 2-step 위상천이 디지털 홀로그램으로 암호화할 수 있으며, 암호화에 사용 된 비밀키도 위상천이 디지털 홀로그램으로 암호화되어 복호화를 수행하게 되며, 복호화된 비밀키에 의 해 이진 데이터를 다시 복호화한다. 그림1은 마흐-젠더 간섭계를 기본으로 하는 위상천이 디지털 홀로그래픽 암호화에 대한 광학적 장치 도이다. S1, S2, S3 스위치를 모두 개방하고 SLM1에 비밀키(random, 128×128)를 SLM2에 이진 데이터 (random, 128×128)를 표현하였을 때, 평행광과 간섭을 이룬 비밀키에 대한 디지털 홀로그램은 CCD1에 기록되고 이 비밀키를 참조광으로 하여 물체광으로 사용된 데이터와 간섭되어 암호화된 빛은 디지털 홀 로그램으로 CCD2에 기록되어 PC에 저장된다. 이때 PZT 거울을 통하여 90° 위상천이를 주어 비밀키와 데이터에 대한 두 번의 디지털 홀로그램이 동시에 기록된다. 감쇄기 A는 CCD2에서의 간섭을 잘 발생시 키기 위한 광세기 조절용으로 사용된다. 한편 S1, S2, S3 스위치만을 개방하여 평행광, 비밀키, 데이터만 의 DC항 광세기만 얻어서 PC에 의해 DC항이 제거된 암호화 정보는 전송되어지고 이를 받은 PC는 위 상천이 기법에 의해 비밀키와 이진 정보 데이터를 복호시킨다. 2-step 위상 천이 간섭계의 위상천이 각은 각각   라고 하면, CCD 카메라에 기록되는    와   의 간섭무늬의 세기는 다음과 같다.      _{ }   



_{   }        



      _ _ (1) 여기서   _ _이며,  _{ }  _을  로, AC 성분의 크기를 나타내는 



_{  를  라 놓으면 다음과 같이 다시 표현할 수 있다.} ′    cos ′    sin (2) 10

2-step 위상 천이 간섭계에서 식 (2)를 이용하여 물체광과 참조광의 위상차와 AC 성분의 크기는     tan 



_ ′ ′



(3) _{ }  _{  }   ′ ′  (4) 와 같이 구해지며, 또한 2-step으로 구한 위상과 크기로부터 암호화된 복소 홀로그램은 아래와 같이    _{ } (5) 로 나타낼 수 있으며, 이 복소 홀로그램을 이용하여 원래의 데이터를 복호화할 수 있다. Laser SF CL BS1 S2 S1 PZT Mirror M1 SLM2 SLM1 L1 CCD2 CCD1 PC L2 BS2 BS3 BS4 S3 M2 Phase mask Attenuator (그림 1) 위상천이 디지털 홀로그래피를 이용한 비밀키와 데이터의 이중 광암호화 장치 128 x 128 20 40 60 80 100 120 20 40 60 80 100 120 128 x 128 20 40 60 80 100 120 20 40 60 80 100 120 128 x 128 20 40 60 80 100 120 20 40 60 80 100 120 128 x 128 20 40 60 80 100 120 20 40 60 80 100 120 128 x 128 20 40 60 80 100 120 20 40 60 80 100 120 (a) (b) (c) (d) (e) (그림 2) (a) 암호화된 비밀키, (b) 복호화된 비밀키, (c) 암호화된 이진 데이터, (d) 올바른 비밀키로 복 호화된 데이터, (e) 그릇된 비밀키로 복호화된 데이터. 참고문헌

1. T. Tajahuerce, O. Matoba, S. Verral, B. Javidi, "Optoelectronic information encryption with phase-shifting interferometry, Appl Opt. 39(14), 2000

2. S. K. Gil, S. H. Jeon, N. Kim, and J. R. Jeong, "Optical encryption of binary data information with 2-step phase-shifting digital holography, Proc. of SPIE. Vol. 6488, 2007 3. S. H. Jeon, Y. G. Hwang, and S. K. Gil, "Optical encryption of gray-level image using

on-axis and 2-f digital holography with two-step phase-shifting method", Optical Review, 15, 2008