随着计算机网络的飞速发展，现在越来越多的信息使用网络进行传输，其中不乏个人隐私、公司商业秘密及国家机密等敏感信息。因此，如何保证私密信息的安全性成为人们关心的问题，而对信息进行加密是保证信息安全最常用方法。光学加密结合了近代光学和信息安全加密双方面的知识，具有多维度、高自由度，大容量、高鲁棒性及光学元件固有的快速并行处理性质等诸多优势，受到了广泛的关注。光学加密加系统将二维随机相位模板作为密钥，密钥空间大，系统的安全性高。近年来，虚拟光学加密方法被提出来，它是一种用计算机模拟光学加密过程的方法，简化了加密系统的实现过程。目前虚拟光学加密中的随机模板密钥是二维矩阵，占据的内存大，密钥的保存、管理及传输的代价高。本论文根据时空混沌对混沌驱动初值及控制参数高度敏感、并能产生大量非相关的伪随机序列的特性，将时空混沌与虚拟光学透镜成像加密系统相结合，利用混沌系统产生拟平均分布的时空混沌序列，以干扰待加密信息，实现安全加密。随机模板密钥由时空混沌的三个参数代替，减少了内存占用。经Matlab仿真实验证明，新方案密钥灵敏度高，在一定的密钥长度下可以抵抗穷举攻击，本文对系统加解密算法复杂度、系统的非线性性质以及系统抗攻击能力等方面的分析也验证了系统的安全性。但新方案抵抗选择明文攻击能力较弱，为此本论文提出了另一种改进方案。改进方案将原方案与另一个加密系统进行级联，增加了加密模型的复杂性，使得改进方案能够抵抗选择明文攻击，但整个加密算法的算法复杂度不高，密钥空间是原方案的两倍以上，足以抵抗穷举攻击，因此改进方案在算法上是安全的。