可光学编程的双波段钙钛矿单像素探测器用于彩色图像加密

在普通图片中隐藏秘密

我们每天通过互联网发送照片和视频，通常假设加密能防止窥探。但如果有人能够悄然读取图像，只需窃取光纤或空气中泄露的光线怎么办？这项研究提出了一种新的保护视觉信息的方法：让探测器本身成为锁与钥匙的一部分，利用一种特殊的光敏材料——只有在以特定方式照明时才会显露隐藏信息。

一种新型光传感器

研究团队没有采用手机相机中熟悉的百万像素网格，而是构建了所谓的单像素探测器：一个高度灵敏的“收集器”，仅测量入射光的总体亮度。空间信息通过向物体投射大量模式并通过数学重建来编码。这里的关键创新在于探测器的材料。研究者使用了一类称为卤化物钙钛矿的晶体，制成显微尺度的线状结构，形成两个略有不同成分之间的横向结。一侧主要对较短波长（偏蓝光）有响应，而另一侧则对蓝光和较长波长的红光都有响应。

能重新编程探测器的光

单独看时，器件对红光敏感的一侧部分被阻断：红光产生的电荷难以跨过低导电区，因此探测器几乎“看不见”红光。然而，当器件被蓝光照射时，该势垒变得导电。路径瞬间打开，红光产生的电荷可以自由流动。从电学角度看，蓝光将器件从对红光几乎关闭的状态切换到强烈开启的状态，使红光响应提升多达一千倍。研究者表明，这种开关既快速又稳定，并且可以通过改变光强和施加电压来调节，使得探测器可被光学编程：可以用另一种颜色的光来增强或降低其颜色灵敏度。

将颜色技巧变为安全手段

当把这种奇特行为与单像素成像结合时，它的威力就显现出来。在他们的装置中，投影仪发出彩色图案，投到数字微镜器件上，该器件以成千上万的黑白模式快速切换来编码场景。光随后通过一层散射层，模拟有雾或乳白玻璃的效果，然后到达探测器。由于钙钛矿器件既将蓝光作为信号又将其作为解锁红敏性的控制光，图像中的蓝色和红色区域在探测器处以非直观的方式相互作用。在有模式照明下，相同的彩色场景在使用可编程探测器或标准硅探测器，或在逐点扫描与单像素成像之间，会产生非常不同的重建结果。

在数字中隐藏数字

为了展示如何保护信息，作者设计了彩色图像：真实信息（如字母“OK”或数字串“3025”）以红色绘制，而蓝色数字或图形被点缀其间，既作为干扰也作为控制元素。使用可编程探测器配合单像素成像，他们可以重建出一种场景版本。采用另一种抑制探测器处颜色相互作用的扫描方法，则得到另一版本，其中只有蓝色元素显现。将这两幅图像相减即可揭示隐藏的红色信息。商业相机或普通硅单像素探测器只能看到一团混杂的图像——尤其是在研究组加入真实世界复杂因素如亮度不均、混合红蓝颜色和散射层时。即便窃听者尝试使用色彩滤镜和巧妙的图像处理，探测器特定的颜色响应仍会将真实信息挡在可及之外。

这对日常安全的重要性

大多数图像加密方案依赖发送端的繁重软件或复杂光学组件，同时假设任何普通相机都能安全查看解密后的图像。本工作颠覆了这一思路：它将安全性嵌入探测器，使得只有特制设备能呈现正确图像，即便光场本身可被他人获取。通过利用钙钛矿材料可调的颜色响应，作者展示了一种既为传感器又为解密钥的单像素探测器。在实践中，此类依赖设备的方案可为光学安全系统增加一层硬件保障，使得使用标准相机或探测器的窃听者更难从看似普通的彩色图像中恢复敏感视觉信息。

引用: Fu, A., Zhang, ZH., Xiong, J. et al. Optically programmable dual-band perovskite single-pixel detector for color image encryption. Light Sci Appl 15, 138 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02126-z

关键词: 光学加密, 单像素成像, 钙钛矿光电探测器, 图像安全, 颜色编码