信息安全自古以来都是国家政务以及人们生活中至关重要的组成部分。尤其是随着网络信息技术以及各种高科技产品的不断发展，信息的安全性遭受到日益严峻的威胁，单纯的数字化信息安全系统已不能全方面地满足人们的相关需求。光学信息安全技术得益于光波的高速传播和并行处理能力，以及高设计自由度等优势，越来越受到人们的关注。　　本文主要针对单次曝光叠层成像技术在光学信息安全中的应用进行了研究，提出了一种单次曝光叠层编码技术，然后据此设计并实现了三种基于单次曝光叠层成像的信息安全系统。论文首先设计了一种基于单次曝光叠层编码技术的光学水印系统，分别采用数值模拟和光学实验来验证该编码技术和光学水印系统的有效性及可行性。研究结果表明所设计系统在具有较高的安全性，不可感知性的同时，还具有简易灵活的光学实验可操作性。为了进一步拓展单次曝光叠层编码的应用范围，设计了基于单次曝光叠层成像的变换域多图像隐藏系统。在离散余弦变换域实现了对多幅复振幅图像的隐藏。一系列的光电实验验证了该系统具有良好的安全性、隐蔽性、复用容量以及可行性。此外，为了能够更进一步贴合实际应用，论文将单次曝光叠层编码技术和QR码相结合，以QR作为信息的强大载体，设计了一种大容量加密系统。并且使用视觉密码学的方案对明文生成的QR码进行扩展编码，能够产生一对数值密钥，增加了系统密钥的多样性，从而进一步提高系统的安全性。