情報処理学会 インタラクション 2024
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RayLeight: レイリー散乱を用いた柔軟なタンジブルディスプレイの試作
袴田 結女1,a)

沖 真帆1

塚田 浩二1

概要：レイリー散乱とは，光の波長より十分に小さい微粒子に，光が散乱する現象のことであり，空の色の変化（青空，夕焼け等）の要因としても知られている．我々は，ホットボンドスティック (以下，スティック）に白色 LED を投射することで，レイリー散乱が発生することに着目した．スティックは身近な素材で入手が容易であり，柔らかくしならせることができる特徴がある．本研究では，こうしたスティックの特徴を活かした，カスタマイズ可能なマトリクスディスプレイを提案する．本稿では，提案システムの背景，実装，応用例，今後の展望について述べる．

1. はじめに構造色とは，微細構造による光の干渉，回折，散乱などにより生じる色のことである [9]．薄膜干渉により生じるシャボン玉の虹色や，多層膜干渉により生じる魚類の光沢，微粒子による光の散乱で生じる空の色の変化など，我々の日常生活では多くの構造色が観察できる．こうした構造色は，見る角度によって色が変わったり，極めて鮮やかな発色をするという特徴を持つ．
本研究では，構造色の中でも特に，レイリー散乱に着目した．レイリー散乱とは，光の波長より十分に小さい微粒子に光が散乱する現象のことである．例えば，青空や夕焼けなどの空の色の変化は，大気中の微粒子に太陽光が散乱することで生じる．
こうしたレイリー散乱はフローリングワックスやホットボンドスティックなど，身近な素材と白色 LED を用いて再現できる [1], [8]．我々は，レイリー散乱を生じるマテリアルをディスプレイの構成要素として活用することで，単純な制御で空色の変化のような印象的な表現を行えると考えた．
本研究では，ホットボンドスティック（以下，スティック）に注目する．スティックは，安価で取り回しが容易であり，柔らかくしならせることができる．こうした特徴を活用して，レイリー散乱を用いた柔軟なタンジブルディスプレイを提案する．

2. 関連研究
本章では，本研究に関連する研究事例として，「構造色に関する研究」「柔らかい素材を使用したディスプレイ」の２つの観点から説明する．

2.1 構造色に関する研究
Saito ら [3] は，モルフォ蝶の翅の構造を応用し，光を広範囲に広げる採光窓のガラスのデザインを提案した．ガラ
スを通過する光は直進するため，室内を明るく照らすには，光を散乱させたり，光の経路を曲げる必要がある．モ
ルフォ蝶の翅の微細構造には，青色の波長のみを強く反射し，経路を曲げても虹色に光らないという特徴がある．モ
ルフォ蝶の翅の特徴を再現した微細構造を窓ガラスに取り付けることで，課題を解決した．

Amy ら [2] は，透明の液滴に着色することなく，構造色を生成する手法を提案した．半球の液滴に光を照射し，その光の屈折の仕方をモデル化することで，ある条件下で発色する構造色を予測できるようにした．

Yamada[5] は，チョコレートに手軽に構造色の模様をつける手法を提案した．分光シートに乗せ固めたチョコレー
トに，レーザー彫刻機で不要な箇所の微細構造を溶かすことで，見る視点によって虹色が変化する構造色の模様つきチョコレートを実現した．
このように構造色を再現する研究は広い分野で行われているが，微細構造を再現するには専門的な機材が必要である．本研究では，身近な素材とデジタル工作技術で，手軽

1a)

公立はこだて未来大学
g2122052@fun.ac.jp© 2024 Information Processing Society of Japanに構造色の再現を行う．

1354

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我々は，先行研究 [7] において，フローリングワックスをアクリルケースに封入した部品でレイリー散乱を再現する情報提示手法を提案した．レイリー散乱の効果は観察されたが，「気泡が目立つ」「時間が経つと沈殿物が生じる」等，部品として扱いにくかったため，本研究ではホットボンドスティックを利用することにした．

2.2 柔らかい素材を使用したディスプレイ
井上ら [6] は，チューブを物体に巻き付けるディスプレイ，TuVe を提案した．ポンプからチューブへ液滴を送り込み，液滴の位置を制御することで，情報を表示している．
チューブを使用することで，さまざまな３次元物体に巻き付けて，ディスプレイ化することができる．

Su ら [4] は，フレキシブルな 8 × 8 有機 EL ディスプレイを，3D プリンタで作成する方法を提案した．押し出し

図 1

印刷とスプレー印刷の 2 つの印刷方法を組み合わせ，6 つ予備実験に使用したスティック．の層を造形している．ディスプレイ全体をシリコンで覆っているため柔軟性が高く，曲げた状態でも発光することができる．
このように，柔軟なディスプレイは多数存在するが，本研究では，ディスプレイの形状を組み替える過程で，レイリー散乱の変化も体験できる点に特徴がある．

3. 提案
本研究では，スティックを部品として用いた，カスタマイズ可能なディスプレイを提案する．本デバイスは，LEDとフォトトランジスタをマトリクス状に配置し，その上に固定パーツを嵌め込むことで構成される．固定パーツにスティックを差し込むことができ，ユーザはマトリクスに自由にスティックを配置することができる．また，センシン

図 2

予備実験：スティックの底面から LED で照射した様子．

図 3予備実験：スティックの側面から LED で照射した様子．

グ機能を用い，スティックの配置によって点灯パターンを切り替えることで，インタラクティブな体験の提供を目指す．

3.1 スティック選定の予備実験
スティックは種類が豊富であり，素材や粘度，色などが異なる．どのようなスティックがレイリー散乱を再現するのに適しているかを調査するため，複数のスティックを用意し，レイリー散乱がどの程度発生するか確認するための予備実験を行った．
図 1 のように複数のスティックを用意し，スティックを底面と側面の 2 方向から白色 LED を照射した（図 2，図3）．実験の結果，１のスティック（モノタロウ社製，直径8mm, 長さ 10cm）がオレンジと青の発色を最もよく観察できたため，本ディスプレイの部品として選定した．

© 2024 Information Processing Society of Japan1355

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4. 実装
図 4，図 5 に，本デバイスの外観と構成を示す．LED とフォトトランジスタを隣接して取り付けた 5x5 のマトリクス基板を実装した．使用した白色 LED は NSPW300DS，
光度は 12.9cd，フォトトランジスタは TEPT4400 である．
作成した基板を Arduino 互換機（ELEGOO MEGA2560

R3）に接続し，LED の点灯・消灯の制御，センシングを行っている．スティックは，モノタロウ社のホットメルト接着剤を使用した．また，スティックを固定して差し込むための L-S パーツと，スティック同士を接続して形状を変化させるためのジョイントパーツを作成した (図 6)．L-S
パーツは底面に LED とフォトトランジスタを差し込むための穴があり，フォトトランジスタが直接 LED の光を受け取らないために仕切りがついている．上面にスティックを差し込むための穴が開いており，5mm の黒色アクリル板を加工したケースにはめ込むことで，マトリクス型の配置を可能にした．ジョイントパーツは，スティックのしなやかさを活かして形状を自在に変化させるために作成した．
それぞれ 1 次元方向，2 次元方向，3 次元方向に穴が開いており，スティックを差し込むことができる．

図 5

図 6

デバイスの構成

L-S パーツとジョイントパーツ．

4.1 スティックの配置例
本デバイスは，使用するスティック数や配置箇所の変更，ジョイントパーツの使用で，ディスプレイの形態を変化させることができる．マトリクス型ディスプレイとアーチ型
図 4デバイスの全体図© 2024 Information Processing Society of Japan

ディスプレイについて以降で紹介する．各表現例の撮影に1356

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は，ミラーレス一眼 OM-D E-M10 MarkIII（OLYMPUS）を使用した．

4.1.1 マトリクス型ディスプレイ
スティックを 25 本使用した，5 × 5 のマトリクス型ディスプレイを試作した．スティック上部に，5mm のアクリル板を加工して製作した整列パーツをはめ込んでいる．LEDを 25 個全て点灯することで，オレンジのグラデーションを表現することができる（図 7）．
図 9スティックの長さによる発色の差（左），底面から LED で照らしたものを真横から見た図（左から 1/3，1/2，2/3，1）．立体的な配置の作例（右）．

4.2 ジョイントパーツを使用した例
2 次元ジョイントパーツを使用した作例を図 10 に示す．
アルファベットの P のような，直線と曲線が混在する形状
図 7

マトリクス型ディスプレイの表現例 1．斜めから見た図（左）．

を造形することが可能である．また，光の通過する距離が上から見た図（右）．

長い縦線はオレンジに発色し，光の通過する距離が短い曲線部分は青色に発色していることが分かる．このように，

4.1.2 アーチ型ディスプレイ
スティックを 10 本使用し，対面するスティックをジョイントパーツで繋いだ，アーチ型ディスプレイを試作した．

ジョイントパーツを使用することで，複雑な造形が可能になり，形状により発色を変化させることができるようになる．

L-S パーツで接続されたスティックの根元の LED を点灯
するとオレンジ色を，スティックが接続されていない中央部の LED を点灯すると青色を表現することができる（図8）．

図 10

2 次元パーツを使用して造形したアルファベット P（左）と，その点灯例（右）．

図 8

アーチ型ディスプレイの表現例．

4.3 センシング機能
4.1.3 長さの異なるスティックの組み合わせ

光センサを用いたスティックの設置状態の検出を行っスティックの長さを変えることで，光がスティック内をた．図 11 は，スティックの設置をセンシングしている例

通過する距離が変わり，発色する色が変化すると考えた．

である．左はセンサ部分にスティックを設置していない状

そこで，図 9 左のように，スティックを 1/3，1/2，2/3 の態，右は設置している状態である．マトリクス左手前部分長さにカットした．スティックが短いほど青の，スティッをセンサとして利用しており，スティックを差し込むことクが長いとオレンジの割合が増えている．

で，全ての LED が点灯している．マトリクス 1 つ 1 つにまた，スティックの長さにバリエーションを出したため，フォトトランジスタを組み込んでいるため，スティックの立体感のある配置が可能になる（図 9 右）．長さの異なる設置箇所だけ LED を点灯させたり，スティックの有無でスティックを，さらにアーチ状に配置することで，高低差点灯パターンを切り替えるような，インタラクティブな機のある立体的な表現を可能にする．

能を実装することができる．

© 2024 Information Processing Society of Japan1357

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6. 議論
本章では，本デバイスの表現の可能性を追求するための検討・試作について議論する．

6.1 光を伝達する工夫
光の伝達距離を伸ばすための工夫として，光ファイバとスティックを組み合わせる試作を行った（図 13 左）．ス
図 11

スティックの有無で点灯パターンが切り替わる例．

ティックにドリルで穴を開け，そこに光ファイバを通すことで，光ファイバ入りスティックを作成する．光ファイバを貫通させたものと，半分だけ通したものの 2 つを作成した（図 13 中央，右）．光の伝達距離を伸ばすことで，例え5. 応用例
本章では，デバイスの応用例について，「知育デバイス」

ば 4.2 の図 10 で光が届いていない左上に光を届けられる可能性がある．

「光る楽器」を紹介する．

5.1 知育デバイス
知育デバイスとしての応用例を紹介する（図 12）．本デバイスには，以下の特徴がある．

• レイリー散乱を，身近な素材で再現できる．
• レイリー散乱を，実際に手で触れながら体験できる．
• マトリクス上で，パーツと組み合わせて自由な形状を造形できる．

• スティックの長さや角度で発色が変化することを学ぶ

図 13

光ファイバ入りスティックの模式図（左）．光ファイバを貫通させたスティック（中央）と半分だけ通したスティック（右）ことができる．

を LED で照らした様子．

これらの特徴を活かすことで，光学現象を学びつつ，創造性に影響を与えることができるのではないかと考える．

6.2 新素材の検討
より柔軟な設計を実現するために，レイリー散乱を 3Dプリンタの造形物で表現する方法を検討した．その結果，光造形式の 3D プリンタ Form3 と，デュレブルレジンの組み合わせでレイリー散乱を再現できることを確認した（図14）．一方，デュレブルレジンはホットボンドより硬質で柔軟に曲げることは難しいといった問題がある．デュレブルレジンを用いた様々な構造体を実装することで，スティックでは難しい直線的な表現や，細かい形状の造形が可能になると考える．スティックとデュラブルレジンを組み合わせた，表現の可能性を追求する．
図 12

知育デバイスのイメージ. アーチの配置によって発色が変化することが学べる例.

5.2 光る楽器
光る楽器としての応用例を紹介する．本デバイスとスピーカーを組み合わせることで，スティックを挿した位置に対応する音を流すことができる．スティックを差し込むことで，光りながら音を奏でる楽器のような表現ができると考える．

© 2024 Information Processing Society of Japan

図 14

デュラブルレジンで造形した例（左）．スティックとデュラブルレジンの点灯の比較（右）．

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7. まとめ本研究では，レイリー散乱を用いたタンジブルディスプ
レイを提案した．スティックを素材として用いることで，手軽さと形状の自由度を持ち合わせたディスプレイとなっている．スティックの長さを変更したり，パーツと組み合わせて形状をカスタマイズすることで，それぞれ異なる表現ができることを確認した．これらの表現を組み合わせることで，知育デバイスや楽器として応用することができる可能性がある．今後は，光ファイバとスティックの組み合わせや，デュラブルレジンを用いた 3D プリンタでの造形についても検証し，新たな表現の可能性を追求する．

謝辞
本研究の一部は，科研費 20H04231 の支援を受けた．
参考文献
[1]

Exploratorium Teacher Institute Project: Glue-Stick Sunset（online）. 入手先〈https://www.exploratorium.edu/snacks/glue-stick-sunset〉. （2023-11-14 アクセス）.
[2] A. E. Goodling, S. Nagelberg, B. Kaehr, C. H. Meredith, S. IkCheon, A. P. Saunders, and M. K. D. Zarzar.
Colouration by total internal reﬂection and interference at
microscale concave interfaces. Nature, pp. 523–527, 2019.
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[5] Y. Wataru. M&M: Molding and Melting Method Using aReplica Diﬀraction Grating Film and a Laser for Decorating Chocolate with Structural Color. In The Adjunct Publication of the 35th Annual ACM Symposium on User
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[6] 井上佑貴, 伊藤雄一, 尾上孝雄. TuVe: チューブを用いたフレキシブルなディスプレイ. 日本バーチャルリアリティ学会論文誌, 24(3):293–301, 2019.
[7] 袴田結女, 沖真帆, 塚田浩二. RayLeight: レイリー散乱を用いたマトリクスディスプレイの提案. 第 63 回エンタテイ
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[8] 馬目秀夫. 「青空と夕日の実験機」の制作（online）. 入
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（2023-11-14 アクセス）.
[9] 木下修一. 発色原理が異なる色―構造色―. 日本画像学会
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