第 61 回愛媛県児童・生徒理科研究作品特別賞＜愛媛県高等学校教育研究会長賞＞
グレア現象の発生条件 光学的要因に迫る
愛媛県立松山南高等学校 ３年
３年
３年
指導教諭

渡部 真也
渡辺 斗真髙石 遼旺
川井 亮祐

車の前にヒトが立つ際のグレア現象を観測した。

１．研究の目的 1) 2)

また、ヒトの位置関係の条件を変えることによるグレア現象とは複数の光像の変化を確認したところ、図３のように光源光源の光が交錯することと観測者の間にあるヒトの位置によって発生するで周囲の物体の視認が妨
図１ グレア現象げられることをいう。これは交通事故の要因になるため、その原因を定量的に分析・究明し、グレア現象を低減する方法を考案することを目的に研究を行った。先行研究より、原因の一つはまつ毛による回折現象であることが示されているが、他の要因についても考える余地があるため、検証を行った。

光像に違いがあった。もし、遮光物よりも光源側で回折光が生じているならば、図３の観測結果はどちらからも二つの光源像が観測されるはずである。
この観測事実から、次の仮説を立てた。
仮説

グレア現象の発生要因は遮光物よりも観測者側で発生する回折光である。本研究では遮光物及び、観測者のまぶた、まつ毛、瞳孔で生じる回折光の強度について検証し、グレア現象の光学的要因について検証した。

２．簡易眼球モデル測定装置 3)
ミラーレス一眼レフカメラ

水晶体を単焦点レ

４．実験方法実験１ンズ(人間の眼に近い焦点距離 50mm の凸レ単焦点レンズキャップンズ）、網膜を撮像素図２ 本研究で用いた測定装置子に見立てることを暗室に図４に示す装置を設置し、遮光板と測定装置の距離 x を 0.5 m～1.0 m の間で 0.1m ずつ変更して raw 形式で撮影し、画像解析ソフ
ト「マカリ」を用いて光条の長さ y を計測した。

考え、ミラーレス一眼レフカメラを眼球モデルと実験２キャップを表１のように変更し、遮光板した装置を作製した。そして、まぶたやまつ毛、瞳を除いた実験１の装置で光像の大きさを計測し孔の特徴を模したキャップを３Ｄプリンターで作た。まつ毛の有無による影響を検証する際には、製し、レンズに取り付けた。さらに、班員全員で撮キャップに付けまつ毛を取り付けて実験した。

影像が目視に最も近づくカメラ設定（ISO 値＝320，調査

SS 値＝1.0ｓ）を確認した。

から観察してもらい、表２の像のどちらに近く見100 名の被験者に暗室で丸いライトを正面えるのか比較していただいた。また、像の見え方
３．研究の仮説と検証方法とまつ毛の生え方や年齢、視力との因果関係について χ 二乗検定を用いて検証した。8)

実際のグレア現象 を確 認

実験３するため 、暗の撮像素子とレンズの距離を始点として、1.0 mm

い場所で 自動図３ 観測結果
図３
観測結果

図６のように、ピントが合っている状態ずつ増やして光条の長さと中心でみられる円形像の大きさを測定した。

表２ 実験４で被験者にモデルC

モデル名
モデルA モデルB
見せた画像
⇒

実験４

図７のような、中心から各頂点への距離2.5 mm の正三角形、正方形の孔のキャップを３Ｄプリンターで作製し、簡易眼球モデル測定装置

まつ毛無（実験２の結果）

モデル

まつ毛有

まつ毛無

光像
撮像素子

x [mm]に取り付け、遮光板を除いた実験１の装置を用いて撮影した。
図８のような、瞳孔のモデルである孔径 r

実験５= 2.0～11.0 mm の円形の穴の開いたキャップをカピントの合う位置

図６ 実験３の
図７
測定装置イメージ図

実験４で取り付けるキャップの図

メラに取り付け、遮光板を除いた実験１の装置を用いた際の光像の直径 R を計測した。
シミュレーション 4)5)6)

レンズを通過する光は、ここまで使用した観測装置でグレア現象を生じさせ、その光学的発生要因を検証0.2ｍ1.8ｍする。
11.2 実験の方法
1.43 cm(1) 実験２モデル C まつ毛有のキャップを光源
2.75 cm
簡易眼球モデル測定装置に装着した。
10 cm

遮光物

フラウンホーファー回折を行う。
u(𝒙, 𝒚) =𝒊𝑨
𝝀𝒇𝒆−𝒊𝒌𝒇 𝒆𝒙𝟐 +𝒚𝟐−𝒊𝒌 𝟐𝒇

𝑵−𝟏𝒊𝟐𝝅(𝒙𝝃/𝝀𝒇+𝒚𝜼/𝝀𝒇)∑𝑵−𝟏/𝑵}𝝃=𝟎 ∑𝜼=𝟎 {𝒖𝟎 (ξ, 𝜼)𝒆u(x,y)：回折光の強度分関数
f：レンズの焦点距離

A：入射光の振幅

図９ 実験６の装置図

図８ 実験５で用いた
キャップ

k ：波数５．実験結果

u0(ξ,η) ：入射光の光強度分布関数

次のような結果が得られた。

λ：入射光の波長y [mm]

この理論式及び入射光画像を用いて、プログラムを作成、画像処理を行い、回折像を確認した。

表３ 実験２の結果

0.20

光 0.15条の 0.10
長さ0.05

実験６

図９の装置（光源：白色ＬＥＤ２個）のよ0.000.5

うに、光源間に物体を置いて光像の様子を撮影し0.9

1.0

遮光板から測定装置までの距離

0.6

0.7

0.8x[m]

図 10 実験１の結果た。
モデルＡ

実験７

遮光物を除いた図９の実験装置を用いて測定装置にカラーフィルター（灰色、青色、緑色、モデルＢ
モデルＣまつ毛無モデルＣまつ毛有モデルＤまつ毛無モデルＤまつ毛有

茶色、黄色、橙色、桃色、赤色の８種類）、ＵＶカ

モデルＥまつ毛無モデルＥまつ毛有
0.0

ットフィルター、ＩＲカットフィルター、偏光フ

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0[mm⁆

光像の長さ

図 11 実験２の結果

ィルターをそれぞれ取り付け、撮影した。

表４ 調査の結果

2.0 m

光条
y[mm]

x [m]

光条の長さ

遮光板

図５ 遮光の様子と
図４ 実験１装置図観測された光条
光源に 5600Lux，3.0mm 径の青色ＬＥＤを使用

表１
モデル名
特徴
条件

実験２で用いたキャップ

モデルA

モデルB

モデルC

孔径 4.0 mm
瞳孔モデル

まぶた形状
モデル

孔径 4.0 mm 瞳孔＋まぶたモデル

4.0mm

10.0mm4.0mm 10.0mm

4.0mm 6.0mm

30.0mm

30.0mm

30.0mmキャップ概形モデルDモデルE

孔径 4.0 mm 瞳孔
孔径 2.0 mm 瞳孔＋しかめまぶたモデル ＋しかめまぶたモデル

2.0mm
6.0mm

30.0mm[mm][mm]

円 0.925形 0.900
像の 0.875
大 0.850
きさ 0.825

光 3.75条 3.50の 3.25
長さ 3.00

4.00

2.75

0.800
0.000 1.000 2.000 3.000 4.000
撮像素子とレンズとの距離x[mm⁆

2.50
0.00

1.00

2.003.004.00

撮像素子とレンズとの距離 x[mm⁆図 12 実験３の結果

ま６．考察(1)

遮光物による回折光の影響
図 10 より実験１で生じた光条の長さは光源の図 13 実験４の結果視直径である 0.08 mm とほぼ変わらず、遮光物に

図 14 シミュレーションの結果１7)よる回折光がグレア現象の原因とは考えにくい。

R [mm](2)14.0

光 12.0
像 10.0の 8.0
直 6.0
径 4.0

図 15 シミュレーションの結果２

観測者の眼の要素による回折光の影響
表３、図 11 より、まぶた構造のないモデルＡ

2.00.00.0 2.0 4.0 6.0 8.010.012.0

瞳孔モデルキャップの孔径 r [mm]

図 16 実験５の結果とまぶた構造のあるモデル C による実験結果を比較すると両者に差異がないことから、光像に対するまぶたの影響はないことが分かった。また、
モデル C、D、E のいずれでも、まつ毛の有無で変化があり、まつ毛有の場合に放射状の光条が確認されることから、光像に対するまつ毛の影響はあ図 17 実験６の結果ると考えられる。さらに、モデル C に対して顔をしかめた際を想定してまぶたの上下間距離を半フィルターなし
灰色フィルター
青色フィルター
緑色フィルター
茶色フィルター
黄色フィルター
橙色フィルター
桃色フィルター
赤色フィルター
IRカットフィルター
UVカットフィルター
偏光フィルター分にしたモデル D は縦に光像が長いことから、強い光を見て顔をしかめた際は、まぶたも光像に影響することが分かった。次に図 16 より、瞳孔径0.01.02.03.0
光像の長さ4.05.06.0[mm⁆

図 1８ 実験７の結果
光像の長さが小さくなるほど光像の長さも小さくなっており、瞳孔が強い光を遮る役割を担っていることが確認できるものの、光源の視直径 0.08 mm に対して、50～150 倍の大きさの光像が得られていることから、瞳孔による光像への影響は大きいことが分かる。調査では、被験者への聞き取りの結果、まつ毛無像に見えた人が 77 人であるのに対し、まつ毛有像に見えた人は 23 人であった。この理由について考察する。表４より χ 二乗検定の結果、まつ毛の向きが光像の見え方に影響している

図 19 実験７の結果ことが分かった。これは、まつ毛が下向きになると、瞳孔にまつ毛がかかり、光路を遮ることが影響するためと考えられる。また、見え方は視力にも影響されることが分かり、視力が悪い人は像がにじむ影響によって、まつ毛無像になりやすいこと、年齢による影響はないことも分かった。以上
より、光像の見え方はまつ毛の向きと視力が影響

図 20 実験７で使用したカラーフィルターを介して白色光を見た際のスペクトル強度すると考えられる。さらに、表２に示した像以外に見えた被験者は１人もいなかったことから、本が分かる。一方、交通事故防止につなげることを研究の測定装置が眼球のモデルとして妥当であ考えるならば、視野の適度な明るさについても考ることを確認できた。シミュレーションについてえる必要がある。ＩＲカットフィルターや偏光フ考察する。表２と図 14、図 15 がよく一致した。

ィルターについては、フィルター使用時に視野が以上のことから、ヒトが見る光像はまつ毛と瞳孔必要以上に暗くなる点が課題点である。さらに、で生じた回折光によることが分かった。実験６にカラーフィルターを用いた場合には色味が変化ついて考察する。図 17 の光像は表２のまつ毛有して見えるため、自動車運転時等にグラスとして像と酷似しており、まつ毛や瞳孔による回折光がフィルターを使用することを考える場合、信号灯交錯して、遮光物の像を遮っていることが分かる。の色等を正確に識別することが難しくなること

また、表２のまつ毛有像は図 15 のまつ毛有瞳孔が問題になる。以上のことを考慮して、グレア現のシミュレーション画像と酷似している。これよ

象が低減された４つのフィルターのうち、青色がり、光条だけでなく、光源中央部周辺からぼんや抑えられて視野が適度に明るく、色味が大きく変り広がっている瞳孔由来の回折像が遮光物の像化しにくいフィルターを研究班内で吟味するたを遮っていることが分かる。以上より、グレア現め、フィルターを目に取り付けて周辺を歩き回っ

象の光学的要因は、まつ毛と瞳孔で生じる回折光たところ、本実験で使用したフィルターの中ではが重なり合い、遮光物の像を遮ることで生じてい緑色が最適であることが分かった。緑色フィルタ

ると考えられる。

ーは、他のフィルターに比べると色味の変化は穏（3） グレア現象を低減する方法やかであった。これは図 20 に示すように、フィ

図 18 より、青色フィルター、緑色フィルター、ルターを透過する光における色のバランスが適ＩＲカットフィルター、偏光フィルターを用いた度にとれており、それに加えて青色や赤色のスペときに、光像の長さは短くなっていることが分かクトル強度を適度に低減できているからである。

る。これらの場合の分光スペクトルを確認すると、
図 20 より、いずれも波長の長い赤色の光を低減

７．結論するフィルターを用いていることが分かる。これ

グレア現象は、まつ毛やまぶたによる回折光には、光の回折現象が、波長の長い光ほど生じやすよって生じる。また，強い光により顔をしかめるい性質に起因していると考えられる。と、まぶたでも回折現象が発生するようになり、

文献９によれば、青色の光は、回折しにくいもより強くグレア現象が発生する。グレア現象は、のの散乱しやすい特徴があるので、長時間、青色赤色と青色を減光するフィルターを使用するこ

光を見ていると光像がにじんだり、散らついたりとで、効果的に低減できる。

しやすい。そのため、青色光は目の疲れを誘発しやすい性質がある。また、実験６で使用したよう

８．参考文献な一般的な白色ＬＥＤライトのスペクトルは、青

1). 松岡薫（2004）まつ毛によって生じる回折光のシミュレーションとグレア表現への応用（東色光の強度が非常に強い特徴がある。そのため、このような生物学的見地と現在使用されている白色ＬＥＤの実態、実験結果を合わせて考えれば、青色光と赤色光の両方を低減できれば良いこと

京大学工学部電子情報工学科）2)．川守田拓志(2019)眩しさの種類（北里大学医療衛生学部）
3). 虹彩と瞳孔の不思議(https://www.santen.co.jp/ja/healthcare/eye/eyecare/wonders/iris.jsp)
4). 牛山善太(2013)結像光学系によるフラウンホーファー回折像（株式会社タイコ）
5). 松田隆夫(2001)二次元画像上の人物に対する距離の知覚（立命館大学文学部）
6). OpenCV を使ったフーリエ変換（http://labs.eecs.tottori-.ac.jp/sd/Member/oyamada/OpenCV/html/py_tutorials/py_im
gproc/py_transforms/py_fourier_transform/py_fourier_transform.html#opencv ）7). 舟越和己(2019)エアリーの円形開口の回折に関する論文(すばる天文同好会)
8). カイ二乗検定とは何か（https://www.business-research-lab.com/220705-2/）
9)．ブルーライトとは（https://www.itolens.jp/eyesupport_bluelightcut_01）