Light 光技術の話・・21-40・「灯具内で光が曲がってる?」「演色性」

2009年6月16日 (火)

第40話、”光の質?”(演色性)"Quality of light" (CRI:"color rendering index, Ra")

 昔は、灯油を使ったカンデラを車の前にぶら下げて、走っていました。エジソン電球になって明るくはなって来ましたが、光の色合いは、”黄”であり、演色性が良いとは、とても言えませんでした。 ハロゲン電球が開発され、これが、”黄白色”になり、『 随分と白くなったものだな~』と思っていたのです。そこに、メタルハライド放電灯(HID:High Intensity Discharged )が現れ、ヘッドランプ業界でも"光の質"を問われるようになりました。
Candela long ago used kerosene hanging on the front of the car and ran. Has been become the Edison light bulb, light, light shades are "yellow" is a good colour rendition and wasn't very. Halogen light bulb was developed, it becomes the "yellowish", "that's long and white-" and I was. There appear, metal-halide discharge lamps (HID: High Intensity Discharged), questioned the "quality of light" in the headlamp industry. 
 ヘッドランプの法規上は、赤はNGです(テールランプと間違えるので)。が、紫はどうか、青はどうか、「気持ちが悪くなる色だ。白が良い。」「黄色が良い」と、盛んに議論された末、現在のような状態に落ち着いて来たようです。
 光の質は専門的には、色度座標で扱われるのですが、難しいのでパスすることにして、今議論したい”演色性指標、Ra”に関して簡単にお話しましょう。この数値は100に近いほど、”昼間の色の見え方に近い(白色に近い)”という数値です。
Headlamp regulations on red NG is so (tail lights and mistakes). There are purple, blue, whether "sick colors. White is good.  "Actively discussed "yellow "and the end of the current state seems to come calm. Briefly talk about is the quality of the light is professionally treated by chromaticity coordinates, and difficult to pass, now want to discuss "color rendering index, Ra" Let's. This number is closer to 100 is "color of daylight closer (closer to white)" that is a number.

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第39話、ハロゲン H・I・D L・E・D のコスト比較

 現状レベルは、1:3:30 位らしいです。( 但し、3000Lmをハロゲンにも求めた場合であり、ハロゲン電球は 3本使いとしています。ハロゲンは暗くて良い(1本でいい)のなら、1:9:90 となります。)
技術の進歩がありますので、1:9:90 辺りから始まり 1:3:9に向かって変化して行くのでしょう。 ハロゲン電球は数十年の歴史がありますので、コスト面では既に熟成しています。これを「1」としています。
L・E・D は、開発の真っ最中であり、コスト高は否めない時期です。ハロゲン電球単体との比較では、約30倍(15~45倍)と見積もっていますが、その30倍に近い時期に、現状はあるものと考えられます。
H・I・D は量産効果が現れつつ有る時期であり、ハロゲンとの倍率は、次第に、3に向かって次第に小さくなりつつある時期 と言えます。H・I・Dの倍率が小さくなった(例えば「3」になった)からと言っても、L・E・D への技術伝達はタイムラグを持ちますので、 1:3:45 も現実的には有り得る と考えられます。
ちなみに、ハロゲン電球は、12Vのバッテリーで直接点灯出来ますが、H・I・D と L・E・D とは、点灯装置が必要です。その費用も含めた比率です。見積り計算は、”どんぶり勘定法”!。これで結構、”当たらずとも遠からず”の見積りになるから不思議です。

( 細かくなりますので、見積り根拠・計算方法は割愛します。)
  2007年 5月XX日 大山宏

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第38話、熱対策を主眼に置いた[ L・E・D ヘッドランプ ]

ヘッドランプと一言で言っても、形は様々です。ことに光源が、「ハロゲン電球」⇒「HID」⇒「LED」 と変化して来ると、外からは見えない内部の構造にも大きな変化が現れて来るのは、当然でしょう。

今日は、発生熱(:60W程度であると言われる消費電力の)の対策に主眼を置いた場合、LED ヘッドランプの形は如何なるものとなりそうか という乱暴な議論です。勿論、ボディースタイルに良い影響を与える(であろう)新提案でなければ、議論の意味がありません。その前提で本論に移りましょう。

車の形の基本は箱型ですので、ランプの方も”箱型”が底流としてあります。( 外見として見える”レンズ面”の形はいくら丸みを帯びていたとしても、何処と無く、四角っぽく見えるものです。その方が車デザインにマッチするようです。)

四角い箱の内部に熱源を配置した時、その温度分布は如何なる分布になるでしょうか?( 何処が一番温度が高くなるか?という真面目な質問です。)答えは、光源を配置した近辺が一番高温になり易い!

これは、ハロゲン電球の場合であっても、HIDやLED であっても同じ傾向です。特にLEDは、小さな固体光源ですので、放熱を上手くしてやらないと、元も子も無くなってしまいます。《 LED光源は、放熱フィンという馬鹿でかい荷物を(宿命として)背負って生まれて来ているのです。》

『 なあんだ、LEDと言っても、放熱フィンを含めると、ヘッドランプは結局の所、小さくは出来ないのか。』 というような、早計な判断はしないで下さい。それを解決して(クリアーして)行くのが我々の仕事なのですから。

幸いにして、LED光源は、大まかには4つ程度に光源が分かれています。この4つの光源を、何処に配置したら、灯具温度が最も下がり、放熱効果も優れていて、明るいヘッドランプが出来るか、という問題に切り替えてみましょう。

その答えは、箱の4隅の稜線沿いに配置するのが最適であろうと、推測できます。
《 各フィンは、その4隅から外に向かって各々3方向に伸びることが可能です。》
( LEDを後方に密集配置したのでは、放熱フィンは後方にしか伸びて行けません )

リフレクターの方は、どうなるか、というと、各コーナーからランプ中央に向かって延びていくことになります。中央には、走行ビームを配置してもいいし、光量不足を補う意味を含めて、H4みたいな、Hi/Lo切り替え式のハロゲンランプを組み込める余地まで出てくるでしょう?

( 更には、暗視レーダー用の赤外投光器を積んでもいい。)構造や部品構成が変れば、デザインも おのずと変って来ます。”10年後(?)のヘッドランプ”の形が見えたような気がしませんか?    2007年 3月 XX日 大山宏

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2009年6月15日 (月)

第37話、Zビームパターンの後続車輌が眩しいのでは?

『・・、私の車は運転席の着座位置が低いこともあるためか、後続車輌からのヘッドライトの光を非常に眩しく感じます。・・・』という御意見をある方から頂き、”ハタ”と気が付きました。単に”まぶしい”と言っても、誰がそう思ったかで、対策の方向が、ガラッと変ってきます。この方の場合は、運転者本人だったのですね。
(第31話での”まぶしい”と感じた人は、歩行者もしくは、対向車の運転者でした。)

バックミラーには”傾ければ眩しさが軽減できる機能が常識化”していますが、フェンダーミラーにはその機能の付いたものは見かけません。

《 それを、廉価に商品化するのも一つの対策になりそうです。》
まあ、それはそれとして(後続車輌からの)眩しくないランプの有り方を、ランプ生産者の立場で、真面目に考えてみましょう。

仮説1{ Zビームパターンの方が、15度パターンよりも眩しい。}
仮説2{ 2輪の後続車が眩しい。}
仮説3{ 後続トラックのライトが眩しい。}
仮説4{ 10m~20m位、少し離れた後続車が眩しい?}
仮説5{ 早く走れとばかり、後ろにへばりついて来る後続車ライトが眩しい。}

仮説5は、多分走行ビーム急き立てているはずなので、こんな車は「お先にどうぞ!」としてあげるのが抜本対策ですね。( もしくは、『 馬鹿にするな 』とばかり、猛スピードで走り去る。貴方なら出来る!?!)

仮説2・仮説3は、取り付け高さを問題視した仮説です。フェンダーミラーの高さに後続車輌のライト高さがあるならば、眩しくても当然と言えます。この取り付け高さに関しては、厳密に議論され、法規化されているはずです( 私は調べたことはありませんが)。

私の経験では、2輪よりも、トラックの方が眩しいと感じることが多いのですが、この仮説2・仮説3については、この位にして置きましょう。

仮説4は、ちょっと変っていますでしょう?これは何を示唆した仮説なのでしょうか?

そうです。後続車のライトの左右位置問題です。

右目からの光か・左目からの光なのか?あるいは、
”中央車線を踏まんばかりに”走り寄って来る車が眩しいのか?それとも、
路肩白線に近い位置にランプがある車?トラックのように車幅のでかい車
路肩白線寄りに片寄って走る癖のある運転者の車・・?。

この仮説4を検討していると、浮かび上がって来るのが、仮説1です。この結論は、人間工学グループの詳細調査を待ってから出すべきでしょうが、私は、最近後続車輌のライトが眩しくなったのは、Zビームの影響ではないかな?と予想しているのですが、

如何でしょうか?

これなら、ランプメーカーとしても、対策の余地がありそうです、15度パターンを、車メーカーに推奨すればいいのですから。

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第36話、”グレアー光で演出するヘッドランプ”

ランプ屋やに取ってグレアーは嫌われ者でした。何故なら、規格はずれになって上司から怒られたり、ユーザーから『 まぶしい。何とかしろ!』と小言を言われたりすることが多いからです。でも、車のヘッドランプでみんなが見ているのは、グレアー光なのです

車のランプは目線より下の方にあるでしょう?ランプの方から見た発散角度で言うと、上向き+30~60°(もっと広いかな +10~80°?)辺りです。ここに、目に入れても痛くないほどの適度な柔らかい光を、ユーザーは望んでいるのです。

その程度の柔らかい光が、ボディーラインとマッチしたランプ部分から出て来ると、「 かっこいい! 」となるらしいです。グレアー光(専門的にはゾーンⅢ)規格は、厳しく押さえられています(看板照明という特殊な照明領域(方向)についても、上限は、同じ規格数値で制限されています)。

ですから、その規格を満足させることはこれまでと一緒なのですが、ユーザーの望む場所(ポーション)から、”意図的にグレアー光を発する演出”が必要なのでしょう。高効率ヘッドランプ(2000LmH/L:愛称エンライトン)の研究を通して、光の合理的な導き出し方が分って来ました。

これからは、どこから見ても、かっこいい光を提供する方向で、この技術を発展させて行きたいと考えています。これが、デザインから入るヘッドランプ設計だと、納得しました。

具体的には、

(1)、2~10mm巾の意匠ラインをレンズ面に、まず最初に配置します。カーメーカーのデザイナーに対しては、「 どこに配置してもらっても結構です。2~3本どうぞ!」と、提案する。
(2)、LEDの光全てを路面照射に向かわせようとするのではなく、その一部を、積極的に意匠ラインに取り込む(導く)ように設計を工夫する。
(3)、太い意匠ラインがあることで、路面に向かう光が少なくなるケースも発生するでしょう。その場合は、「2000Lmという充分過ぎる光が出せるのだから、たとえ、3割カットされたとしても、1200Lm位は出せる!」と、デザイン優先で処する。

こんなところです。

HIDを使っての高効率ヘッドランプは卒業としましょう。”ハロゲンとLEDとのハイブリッド(合わせ技で、2000Lm)”を前提にすると、こんな面白い展開が期待できそうです!

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第35話、”ECO(エコ)に関してランプで寄与出来る方策案”

CO2排出量規制は達成不可能という予想の下、政府は、躍起になって号令を掛けておられます(京都議定書)。特にCO2排出総量の元凶として(前々から)自動車が槍玉に上がっており、燃費向上が各自動車メーカーに求められています。自動車部品を提供しているランプメーカーの立場で、何か寄与出来る事はないかと、私なりに考えてみました。

燃費向上を言い換えると、”高効率化”という言葉になると思います。最終的に、燃費向上につながればいい訳ですから、

1、車体(ランプ部品)が軽くなっても効果あり。

、空力特性(流線型スタイルに沿うランプ)が改善されても効果あり。

3、消費電力が少なくなって、銅線の重さ(使用量)が減っても効果あり。バッテリーが軽くなったら、「1」の軽量化に相乗効果。

、安全性を確保しつつ、総消費電力が押さえられる照明システムが提供出来るならば、それもカーメーカーに取って有り難い提案でしょう。

例えば、コーナーリングランプ機能を兼ね備えたヘッドランプとか、従来4灯式が当たり前の高級車種が、スタイルが斬新に工夫された2灯式H/Lに置き換えられるならば、それも効果大。などなど。

これらを実現する努力はこれまでも行われて来ているはずですが、”御役所の一言”で可能となる(これまで駄目だったことが可能となる)話もあるのではないでしょうか?

例えば、テールランプ・ストップランプの規格配光は、上下±10°左右±20°の規格で数十年前から変っていませんが、上下±10°は、本当に必要なのでしょうか?上方向の+10°は必要ですが、下方向のマイナス10°は不要なのではないでしょうか。

何故なら、運転者や歩行者の眼は、車ランプの取り付け高さよりも高い位置にあるので、不要な光とは考えられませんか?(*1)

自動車が空を飛ぶ時代になったら、元の規格に戻せばいいでしょう? 同様の事は、赤青黄色の交通信号灯でも言えそうです。信号灯は、歩行者や運転者の眼の高さよりも、随分と高い位置に取り付けられています。ですから、+0°以上の方向に光を発するのは無駄ではないでしょうか?(*2)

これら無駄(?)な規格は、経済産業省(国土交通省?環境省?)が、規格変更するだけで、消費電力は即、半分近くにまで、一気に下がるのではないかと”夢想”したのですが、どうでしょうか?

最近LEDを活用した自動車関連のランプが増えて来ています。規格が半分になれば、LEDの必要個数も半減となるのではないでしょうか?この類の話は他にも、もっともっと有りそうですね、街中にも、家庭内にも、、。 

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(*1)、坂道のことは考慮する必要があります。『・・上り坂で前方車両が坂を登りきった平坦路でブレーキを踏んだとき、まだ上り坂の途中にいる後方車両の認知度を考えると、(あながち)無駄な要求ゾーンとは言い切れないのでは・・?』というご意見を頂きました。

確かにその通りです。 但し、それで諦めたのでは、元も子もないので、着眼点”を生かす方向で、考えて見られることを、お勧めします。例えば、”目”の高さがストップランプよりも高い分だけ、下方の配光は下げられる、、とか、ハイマウントストップランプを付けた車では、そちらがこの機能を担っているので、リアーランプの規格は下げてもいいのでは、、などなど。

(*2)、交通信号灯については、法規上主光軸は下向きの要求になっており、上方光についてはやはり坂道が考慮されているそうです。『・・交通信号等については、移動するものではないので、設置される道路状況によっていくつかのバリエーションを用意してもいいかもしれませんね。』とのことでした。いずれにしても、”不可能を可能に”すべく、色々と考えてみましょうね。

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第34話、”一流とは?”

何年前かの暮れのあるクイズ番組で、「一流の演歌歌手」と「普通の演歌歌手」との違いを議論していました。答えを北島三郎に聞きに行くわけですが、彼の答えは、『 現状に満足せず常により高い所を目指している。』のが、「一流」であり、『 現状に満足している。』のが、「普通の演歌歌手」 とのこと。

なるほど、と思いました。演歌歌手の所を何に置き換えても通用する話のような気がして、「一流の設計者」とは、「一流の開発者」とは、「一流のデザイナー」とは、と、置き換えてみました。

現状に満足せず、常に、より高い所を目指して努力している のが「一流」の定義!

うまく言い当てていると思います。

同じような話ですが、昔、”プロジェクトX”というロングランのNHK番組がありました。ご覧になっていた方も多いと思います。私も興味を持って見ていました。ホンダ社が出てきたり、ヤマハ楽器が出てきたり、石川島播磨重工が出てきたりと、毎回、話題は変わるのですが、どの話にも共通する点があるように思いました。

それは、
1、成功するまであきらめないという”こだわり”の精神、

2、( 家庭をもかえりみず?)寝食と報酬のことを忘れて集中した時期が、必ずあること。

3、大勢の人の協力によって成功したのも事実ですが、成功には必ず少数のキーマン

  が存在しており、その特定の人がいなければ、成功しなかったであろうと、
                                   容易に想像できること。

自分の仕事にほれ込み、現状に満足せず、執拗にこだわって、より高みを目指すことが「一流」であり、「成功の条件」なのだなと、改めて思います。
普通の人も成功(会社発展)には必要です。しかし、出来れば貴方は"一流"を目指して頂きたいと思っています。影ながら応援しています。   大山宏

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第33話、”ランプ灯具内部で、光が曲がっている?

第33話、”ランプ灯具内部で、光が曲がっている?
ご存知のように、光は波の性質も併せ持っています。そして、ある条件の下では、光は曲がりつつ進むのです。物理の教科書では、スリットの通過光実験だとか、干渉実験として小難しく(?)説明されていますが、簡単に体験できる方法を、ご紹介しましょう。

それは、”指で小さな穴を作って、覗いてみる”のです。指で作るので、いびつな穴しか出来ませんが、これで結構、光が曲がる効果が確認できます。勿論、親指の先と人差し指の先とをくっ付けるような、大きな穴を作っては駄目です。

人差し指だけを折り曲げて、小さな穴(2mm角程度の穴:3角穴)を作って覗いて見るのです。10秒で確認できますので、まず、やって見て下さい。

1)、”外の景色(像)が小さくなった”のに気づかれましたか? 
2)、指穴をほんの少し動かして見て下さい。
( 頭を動かさないように注意しながら、指穴を±1mm程度上下させて見るのです。)

どうなりました? そうです。像の動きが不自然でしょう?まるで、レンズを通して外の景色を見ているかの如く、指穴の動きで外の景色が動いたでしょう?

”凹レンズの効果”が現れて来るのです。私はかなり強度の近眼ですが、電車のホームなどで(時たま)めがねを掛けていない時があります。どの駅に停車しているのか、次はどういう駅か咄嗟(とっさ)に知りたい時、この方法を用いて案内板の文字を読み取ります。(きっと、付近の人は『変な人!』と、思うでしょうね)。

小さな穴を通過した後では、光は暗い方に向かって(わずかですが)、曲がるのです。穴の周り(縁)は暗い。縁近辺を通過する光は(隣に自分の光がないので)その暗い方に向かって曲がる。それが全周に向かって起きるので、凹レンズ効果となるのです。

同じように”小穴”を通過する光を利用した遊びに、針穴写真機があります。が、しかし、活用原理は異なります。この針穴写真機は”光の直進性” で 成り立っているのです。

小穴が凹レンズ効果を作り出すことは、針穴写真機に取っては嬉しくないのです。”凸レンズ効果”なら嬉しいのですが、、。( 通じました?最後の一行の意味が。 失礼!) 

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PS、小さな穴(2mm角程度の穴)という形で、2mmという数値を使いました。アンダーコートのロス巾2mmと(偶然ながら?)一致していますね。これが、両者の効果が”ごっちゃ”になる原因らしいです。
アンダーコートの方は、純粋に光の直進性で、影響が説明できます。凹レンズ効果の方は、世間一般では、”回折現象”と呼ばれています。

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第32話、”伊達メガネ方式ヘッドランプ”

伊達メガネというのは、ご存知のように凹凸の無い素通しメガネの事です。あるいは、メガネの縁だけがあってレンズが無く、指が通ってしまうメガネの事ですね。ファッション性だけで見ると、これで結構格好良く見えたりします。

最近のヘッドランプはプロジェクターばやりで、あの分厚い凸レンズのギョロメ感を減ずるため、メガネの縁(周り)のファッション性改善も進歩して来ました。その進歩した”ファッション”のみ、ヘッドランプに残す事を考えて見ましょう。

先日お話した第27話、”凹レンズ式ヘッドランプ”を思い出して下さい。250mm程度(明視距離)にあった反射光像を、凹レンズで25m先に移動したのが凹レンズ式ですが、楕円反射鏡からの反射光像を、直接、25m先に形成すれば、凹レンズは”ただの平板”で済みます。その平板も取り除けば、『 メガネの縁(ファッション)だけが残る。』という理屈です。

完全透明な平板でも、透過率は0.9程度ですので、これを取り除くだけで、ランプ出力が1割UPするという理屈になります。《 メガネの縁は残してあるので、透過率100%の”非常に綺麗に磨かれたレンズ”があるように見える!》

非常に興味の持てるお話でしょう?近眼の人が掛けているメガネ(凹レンズ)は肉厚も少なく、光路をホンの少し変えているだけなので、その程度の光路修正なら、楕円反射鏡(2軸楕円)の方で、賄えるのです。

もっと良い事があります。それは、「”重たいレンズを保持しなければならない”という束縛から解放されて、”メガネ縁のファッション性”の追求がやりやすくなる!」という点です。伊達メガネ方式の利点を整理して置きましょう。

1、”メガネの縁”の形状の自由度が大幅に増える。
2、重たいレンズを保持する必要がなくなる。
3、レンズという光学部品の位置精度を気にしなくて設計できる。
4、色消しレンズ以上に透明なレンズ(空)であり、
                       ランプ出力が1割増加。
5、レンズコストは数百円ですが、この部品コストが削減できる。
6、組み付け工数が削減できる。
7、凸レンズ式に較べて、ランプ奥行きが小さく出来、
          明るいランプであって 且つ、薄型化が図れる。
 利点列記なので、良い点(長所)ばかり書きました。短所(不利点)に関しては、御想像にお任せします。

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《 想像にお任せしますでは少々不親切ですので、追記しました。》
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メガネの縁さえも取り除いたものが、”エンライトン”でした。メガネはかけなくて済めば、その方が楽です。
(”縁”は光の進路の邪魔になり易いのです。昔、眼鏡を掛け始めた頃、メガネの縁で視野が急に狭くなって、不便でした。)

翻って考えると、凹レンズをわざわざH/Lに取り込む目的は、ファッションを別にすれば、   『 メガネの縁を加えても、光の進路を妨げにくくなること 』( 凹レンズ付近の形状が、小さくまとまること )にあるようです。

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第31話、リフレクター式に変えれば眩しさは5分の1に!

何年か前の展示会でのお話です。『・・(昨年の)株主総会で、一般の人から質問があって、最近のヘッドランプは、まぶしくてしょうがない。貴方の会社だろう、あの眩しいランプを作っているのは。なんとかならないのか?との意見が出た。』と、ある方から聞かされました。

多分凸レンズを用いたプロジェクター式のHIDヘッドランプのことでしょう。しかし、光束量が増えたから、グレアーも増えるのだと、単純に考えていいのでしょうか?グレアー規制(規格)に関しては、ハロゲン電球光源も 放電灯HID光源に対しても同じはずであり、その規制内にあるなら眩しさも一緒のはずなのですが、どうして"凸レンズ式HID"はまぶしく感じられるのでしょうか。

無謀運転者が多くて、すれ違いビームで対向車線側が「より明るく見えるように」と、ビームを上げている習慣の下でならば、当然、《光束量が3倍になれば、まぶしさも3倍になるであろう》 と推測されますが、これとは別に(まじめに技術的に)その原因を考えてみたのです。

答えはありました。"輝度の問題"でした。高校の物理の参考書を引っ張り出してみると、

輝度 : 同じ光度の光源でも、光源の面積が小さいほど、輝度は高く、まぶしい。この輝きの程度を表すのに、光度をある方向から見た、見かけの単位面積当たりの光度を"輝度"といい、cd/cm^2 で表す。

とあります。光源の面積が小さくなると、眩しさは増えるのでした。最近のランプは小型化傾向にあり、特に凸レンズ式のプロジェクターは、レンズ径が50~60φ程度と小さく、リフレクター式の従来サイズ(約140φ)と較べると、面積比で”5倍強”の輝度差となります。歩行者や対向運転者がまぶしく感じるのは、当然と言えます。

大よその話ですが、人の感覚は、2割の変化(差)に対しては、"差"として認識しないものなのです。しかし、3割の変化(差)があると、これは明らかな変化として暗くなった、明るくなった、眩しくなった、と判断するようです。2割で緯度の変動を一々気に留めて(認識して)いたら、自然現象の中で生きていくのに、不便だったのでしょうね。

この許容値の2割と比較して、5~7倍の眩しさ変化は、明らかに受け入れがたい異常な変化であり、『最近のランプは、まぶしい、なんとかならないのか。』と非難を受けてもしかたがないという気がしてきました。

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