전통적인 가우시안 스팟 광장에 비해 완벽한 광학 소용돌이(Perfect Optical Vortex, POV) 스팟은 광장 전송, 스팟 크기 및 광 메모리 효과 측면에서 독특한 성능을 가지고 있습니다. 그러나 그 원형 광 강도는 스팟이 '도넛' 구조를 형성하게 하여 영상 품질 저하, 측정 정확도 낮음 및 데이터 분석 어려움을 초래합니다. 이를 위해 POV 스팟 조명의 균일성을 향상시킬 수 있는 광학 시스템이 설계되었습니다. POV 스팟장을 광원으로 하여 ZEMAX를 기반으로 고균일성 쾰러 조명 시스템을 설계하고, 평가 함수 감소를 통해 곡률 반경, 렌즈 간 거리 등 주요 파라미터를 체계적으로 최적화하였습니다. 시스템은 3매 집광 렌즈와 이중 접착 콘덴서 렌즈로 구성됩니다. 이 중 집광 렌즈는 크라운 유리 H-ZK9A와 플린트 유리 ZF2를 비교 최적화하였고, 콘덴서 렌즈는 Thorlabs 완제품 렌즈를 사용하여 설계하였습니다. 시뮬레이션 결과 시퀀셜 모드 단일 파장 조건에서 시스템 조명 균일성이 96% 이상이며, ZF2 적용 시 98.9%에 달하고, 물리적 산란 및 위상 변조를 도입한 비시퀀셜 모드에서도 시스템 균일도가 90% 이상입니다; 다중 파장 조건에서 시퀀셜 및 비시퀀셜 모드 모두 두 시스템이 가시광선 대역에서 안정적인 조명 균일성을 유지하여 광범위 조명 시나리오에 적합함을 증명하였습니다. 미시적 통계 특성 측면에서, 영상면 스팟 대비가 1에 근접하고, 공간 자기상관 특성 크기의 시뮬레이션 값과 이론 값이 높게 일치합니다. 추가 실험 결과 해당 시스템이 안정적으로 POV 동적 스팟 광장을 생성할 수 있으며, 실제 획득한 횡·종 단면 곡선 및 중심 직사각형 영역 조명 균일도가 86%를 초과하여 설계의 타당성을 검증하였습니다. 실험 데이터는 비시퀀셜 모드 시뮬레이션 결과보다 약간 낮으며, 주로 요소 정렬 정밀도 오류, SLM 제로 차광 잔류 및 실험 환경 잡음 등 물리적 요인에 기인합니다. 본 연구는 POV 스팟 조명 균일화 설계를 성공적으로 구현하여 거시적으로 원형 강도 분포를 제거하면서 미시적 통계 특성은 정확하고 손실 없이 유지하여 특수 구조광 조명 시스템 최적화에 실현 가능한 아이디어를 제공하고 정밀 영상 및 정보 처리 분야에서의 응용 기반을 마련하였습니다.

광학 설계;쾰러 조명;완벽한 소용돌이 광 스팟;ZEMAX