随着互联网和移动通信技术的发展以及手机和个人计算机的普及,人类社会已经全面进入信息时代。从个人角度,数码相机和手机的普及,使得私密照片和其它隐私信息面临着存储和传输的难题;从商业角度,企业信息化、电子商务和网上银行的发展,一直伴随着信息泄露和黑客攻击的风险;从国家角度,政府和军事部门内部的大量机密信息,历来都有存储和通信方面的安全需要。信息安全已成为一个重要的议题,光学信息安全作为一种新的理论技术,在近年来取得了快速发展。自1995年Javidi等人提出基于双随机相位编码的光学加密方案以来,光学信息安全技术因其具有大容量、多维度编码(振幅、相位和偏振等)和并行的信息处理能力等优势而引起了广泛关注,众多学者投身于光学信息安全技术的研究,并取得了一系列的成果。本论文以相位恢复算法和强度传输方程为基本手段,先后在光学密码分析、密码编码和信息隐藏三个方面进行了相关的研究。首先从密码分析入手,分析了两个光学加密系统的安全性,提出了相应的攻击方案,证实了其存在的安全问题。然后提出了一种基于切相菲涅耳衍射和强度传输方程的光学加密系统。最后提出了一种基于相位编码菲涅耳衍射的隐写术方案,在不可感知性和隐藏容量方面有较好的表现。论文主要工作可以归纳为以下四点:(1)对基于联合变换相关器(JTC)的光学加密系统进行了安全性分析,提出了一种基于相位恢复算法的唯密文攻击方案。在本方案中,通过分析将唯密文攻击问题转化为单强度相位恢复问题,以密文为输出面约束,以输入面几何参数为物面支撑,采用混合输入输出算法,从密文中破解出了清晰的明文图像,从而证实了JTC加密系统理论上是不安全的;(2)对Wang提出的双图加密系统进行了安全性分析,简要介绍并模拟了Deng针对该系统的攻击结果;同时,我们也提出了针对该系统的攻击方案,以密文和三个公钥为约束,提出了一种广义振幅-相位恢复算法,成功地破解出了高清晰度的明文图像。与Deng提出的攻击方案相比,我们提出的方案算法效率更高,破解结果质量更优。同时,对双图加密系统进行的分析表明,该系统相当于级联了JTC和切相傅里叶变换两个结构。我们对该级联系统的安全性也进行了讨论;(3)提出了一种基于切相菲涅尔衍射和强度传输方程的光学加密方案。在加密过程中,将明文编码到相位部分,在随机振幅模板和随机相位模板的作用下,通过切相菲涅尔衍射,将其加密为实值密文。在解密过程中,通过广义振幅-相位恢复算法和强度传输方程,从密文中恢复出明文信息(有损解密)。已发表的基于切相傅里叶变换的加密方案,通常需要在加密过程中记录切除的相位,作为解密密钥使用。这需要复杂精密的相移干涉记录设备。但是,在我们的加密方案中,得益于采用了广义振幅-相位恢复算法和强度传输方程,解密过程和加密过程只需使用同一套密钥,不再需要记录相位信息,从而简化了系统。同时,因为在加密过程中引入了切相的操作,所以,在安全性方面也有较好的表现;(4)提出了一种基于相位编码菲涅耳衍射和强度传输方程的光学图像隐写术方案。传统的基于数学和计算机图形学的图像隐写术通常将秘密信息嵌入到载体图像空域的最低比特位或者变换域的系数中,如果嵌入信息过多就会导致载体图像视觉效果和统计特征的改变,所以为保证隐秘图像的安全性(不可感知性),这种嵌入方式需要严格限制系统的隐藏容量。因此,在传统的图像隐写术中,不可感知性和隐藏容量是相互矛盾的。与之不同,光学系统由于其物理属性,具有更多的维度可用于信息编码,比如偏振状态,相位等。因此,我们提出了将秘密图像编码到相位信息中的隐写术方案,本方案将三幅秘密图像分别编码到载体图像的相位信息中,经过菲涅尔衍射,得到对应的三个振幅,将其与原载体图像通过同位像素置乱算法加密后,组合得到最终的隐秘图像。在提取过程中,我们求解强度传输方程,提取出了秘密图像。本方法在保证不可感知性的前提下,实现了较高的隐藏容量,并结合提出的同位像素置乱算法,提高了系统的安全性。