従来のガウス散斑光場と比較して、完璧な渦巻き光（Perfect Optical Vortex、POV）散斑は、光場伝送、散斑サイズ、および光記憶効果において独特の性能を持っています。しかし、その環状の光強度により散斑が「ドーナツ」構造を呈し、画像品質の低下、測定精度の低下、データ解析の困難さを引き起こします。これに対し、POV散斑照明の均一性を向上させることができる光学系が設計されました。POV散斑場を光源とし、ZEMAXをベースに高均一性のケラー照明システムを設計し、評価関数を低減することで曲率半径やレンズ間距離などの重要なパラメータを体系的に最適化しました。システムは3枚構成の集光レンズと二重接着集光レンズで構成されます。集光レンズはクラウンガラスH-ZK9AとフリントガラスZF2の比較最適化を行い、集光レンズはThorlabs製既製レンズを使用して設計しました。シミュレーション結果は、シーケンシャルモードの単一波長条件でシステムの照度均一性が96％を超え、ZF2を採用した方案では98.9％に達し、物理的散乱や位相変調を導入した非シーケンシャルモードでも系統の均一度は90％を超えます。多波長条件下では、シーケンシャルモードと非シーケンシャルモードのいずれにおいても、2つのシステムは可視光帯域内で安定した照明均一性を維持し、幅広いスペクトル照明シナリオに適していることを証明しました。微視的統計特性の面では、像面の散斑コントラストが1に近づき、空間自己相関の特徴サイズのシミュレーション値と理論値が高度に一致しています。さらに実験により、本システムが安定してPOV動的散斑光場を生成できることが示され、実際に取得した横断面・縦断面曲線および中心長方形領域の照度均一性は86％を超え、設計の実現性を検証しました。実験データは非シーケンシャルモードシミュレーション結果よりやや低いが、主に部品整列精度誤差、SLMゼロ次光残留、および実験環境ノイズなどの物理的要因によるものです。本研究ではPOV散斑照明均一化設計を成功裡に実現し、マクロ的には環状強度分布を除去しつつ、微視的統計特性を正確かつ損失なく保持し、特殊構造光照明システムの最適化に対する実現可能なアプローチを提供し、精密撮像や情報処理分野での応用の基礎を築きました。

光学設計;ケラー照明;完璧な渦巻き光散斑;ZEMAX