安全な観客スキャンレーザーショーの作り方

この記事の初期バージョンは、1997年秋号のThe Laserist Magazineに掲載されました

オーディエンススキャンレーザーショーの安全レベルを正確に判断するには、適切なツールだけでなく、安全曝露限度の理論の理解と測定データを正しく解釈する能力が必要です。この記事はオーディエンススキャン評価の基本概念と、レーザーショー内でのオーディエンススキャン効果を評価する「実践的」な方法を説明することを目的としています。

この記事はオーディエンススキャンの安全性に関する多くの調査に基づいており、ILDA安全委員会委員長のグレッグ・マコフ氏や英国国立放射線防護委員会のジョン・オハガン氏などの安全専門家によるレビューも受けています。この記事の準備に使用された資料は主にアメリカとイギリスに基づいているため、他の国では観客に照射されるビームの評価に異なる分析手法が使われる可能性があります。さらに、スウェーデンのような国では、レーザービームで観客をスキャンすること自体が違法です。このため、現地の規制当局の助言を求めるべきです。

ショーの評価方法を説明する前に、まず基本的な質問に答えるのが良いでしょう――なぜショーが安全であることを確認するために評価を行うのか？この質問には少なくとも三つの答えがあります：

理由 #1. 可能な法的措置を避けるため

誰かが安全でないショーにさらされた場合、そのショーが視力に害を及ぼす可能性があります。アメリカのような訴訟が多い国では、その人が会場の所有者やショーのプロデューサーに対して法的措置を取る可能性が高いです。ショーが安全でないレベルで運営されていると判断された場合、その人が損害賠償を受ける可能性が高まります。たとえ損害がショーによって引き起こされていなくてもです。一方で、ショーが完全に安全に行われていれば、視力の損傷は起こりません。たとえ誰かが無意味な法的措置を試みたとしても、ショーが安全なレベルで運営されていれば、賠償請求が認められる可能性は低いでしょう。

理由 #2. 安全なオーディエンススキャンショーは、安全でないものよりも楽しい

安全なレベルで運用される観客スキャンショーは、残像がほとんどまたは全く残らず、ショー全体を楽しくします。ぜひ自分で試してみてください。次に観客スキャンショーを見る機会があったら、さまざまな効果が目を横切るときの視界に特に注意してください。強い残像を残す効果は不快で、ショーの楽しさを損ないます。そうなると、目は前の効果から回復するのに忙しく、次の効果を楽しめません。しかし、残像がほとんどまたは全く残らない効果は美しく楽しい体験です。

理由その3．安全に実施できるから

人間は、何かが達成困難に思えるとき、それに挑戦するより避けたくなることがあります。レーザー安全の多くの側面を学び始めると、変数や計算式が多すぎて観客スキャンの安全評価が難しいと感じるかもしれません。安全専門家の助けを求める代わりに、安全問題を否定する方が簡単です。この記事ではまず用語の定義を紹介し、その後観客スキャンショーの評価方法を説明します。

観客スキャン用語の定義

照射強度

おそらくレーザー安全で最も重要かつ基本的な概念は照射強度です。これはレーザー出力の単位面積あたりの集中度を意味する難しい言葉です。ビームの出力をそのビームが覆う面積で割ることで求められます。例えば、1ワットのビームが1平方センチメートルの面積を覆う場合、その照射強度は1平方センチメートルあたり1ワットです。そのビームが広がって2平方センチメートルの面積を覆うと、幅と高さの両方が広がったことになります。この場合、照射強度は1ワット ÷ 4cm（2cm 高さ × 2cm 幅）= 0.25平方センチメートルあたりワットです。ビームが広がって面積が大きくなったため照射強度は大幅に減少しましたが、ビームの総出力は依然として正確に1ワットです。

照射強度がレーザー安全において非常に重要な理由は、安全評価の際に目の瞳孔径を7mmと見なすためです。直径7mm以下のビームが目に入ると、そのビームの全出力が目に届きます。しかし、ビームが7mmより大きい場合、目に入るのは7mm分のビームの一部だけです。ANSI Z136.1レーザー安全使用基準では、安全評価の単位として平方センチメートルあたりのワットを使用しています。他の基準では平方メートルあたりのワットを使うこともあります。

平均出力とピーク出力

円の像をスクリーンに投影したいとしましょう。その像を作る方法は少なくとも2つあります：

• 回折格子などの光学素子を通してビームを導くこと
• ビームを一連のスキャナーに向けて、円を高速で描き実体化させます。スキャナーが画面上に同じ実体化した画像を作れる理由は、残像現象（パーシステンス・オブ・ビジョン）によるものです。回折格子とスキャナーが同じ画像を作る場合、レーザーの総出力を同じ量だけ画面全体に分散させるため、画面上の明るさは同じになります。円周上の任意の点での平均出力は、レーザーの出力の1000分の1程度になることがあります。

しかし、これらの画像が同じに見えても、スキャナーの場合は画面上に同時に存在するスポットは1つだけで、そのスポットにレーザーの全出力が集中しています。もしその円周上のその点に目を置き、ビーム径が7mm以下であれば、ビームが瞳孔を通過するたびに目はレーザーの全出力を受け取ります。例えば1ワットのレーザーを使った場合、平均出力は1mWでも、目に届くピーク出力は1ワットです！このピーク出力は最も危険で、オーディエンススキャンの安全評価で見落とされやすい要素です。

パルスと複数パルス

レーザービームが瞳孔を横切るとき、それは目にレーザー光のパルスを届けると言われます。これは、ビームが目の前をスキャンするとき、ビーム径とスキャン速度に応じて短時間だけ目に入るためです。スキャンされたビームによって作られるこの光のパルスは、スキャンされずに短時間だけ点灯するビームによって作られるパルスに似ています。ビームが瞳孔内で点灯している時間は「パルス幅」と呼ばれます。

オーディエンススキャンショーの場合、このパルス幅は一般的に20から500マイクロ秒です。トンネルやシートスキャンのようなエフェクトを投影するときは、トンネルやシートを連続的にスキャンしてそれらを実体化させます。ビームが目を横切るとき、光のパルスが目に入ります。スキャナーはこのエフェクトを実体化させるために何度もトレースするため、目には複数の光パルスが届きます。パルスと複数パルスの概念が重要なのは、安全基準が単一パルスおよび複数パルスに対して曝露できる最大光量を規定しているからです。

オーディエンススキャンショーの評価方法

この記事では、基本的な測定ツールを使った手動計算によるレーザーショーの評価方法について説明します。これには、静止したエフェクトを投影する能力が必要です。レーザープロジェクターがシートスキャン、トンネル、またはビームの配列などのエフェクトをスキャンしていても、正確な測定を行うためには光検出器をスキャンされたビームエフェクト内に配置する必要があるため、エフェクト自体は静止していなければなりません。このため、ADATやその他のテープショーはこれらの技術を使って効果的に評価することはできません。

基本的な測定を補助する手動計算に必要なツール

校正済みレーザーパワーメーター

静的（動かない・変調されていない）ビームを測定するために設計されたレーザーパワーメーターを使用しなければなりません。メーターは低光レベルを測定できるように、平坦なスペクトル応答を持つシリコン検出器を使用しているべきです。安全評価を簡単に行うために、有効面積が1cm2（1平方センチメートル）のものを使うことを推奨します。このサイズの検出器を使うと、ビームがこの検出器を満たすか超える場合、メーターは余計にワット毎平方センチメートルのレーザー出力密度（照射強度）を測定してしまいます。他のサイズの検出器も使えますが、単位変換の計算が必要になります。簡単にするために、本記事では1cm2の検出器を使うことを前提としています。

アンプ付き高速シリコンフォトダイオード

高速シリコンフォトダイオードは、浜松、セントロニック、UDTなど複数のベンダーから入手可能です。これらのデバイスは電圧ではなく電流を出力するため、オシロスコープに接続するには外部アンプが必要です。あるいは、セントロニックのOSIシリーズのような内蔵アンプ付き検出器を購入することもできます。観客スキャンのパルス幅測定には、検出器の有効面積が7mm以上であるべきです。7mmを超える場合は、7mmの穴を開けたマスク（リミティングアパーチャ）を検出器の上に置く必要があります。（7mmは安全評価に用いる国際的に認められた眼球瞳孔径です。）

オシロスコープ

パルス幅とパルス繰り返し率を測定するために、高速シリコンフォトダイオードとともにオシロスコープを使用します。垂直帯域幅が50MHz以上のアナログフィールドスコープで十分です。デジタルオシロスコープは注意して使う必要があります。サンプルのエイリアシングが起こる可能性があるためです。

科学電卓

指数や10のべき乗を計算できる電卓ならどれでも問題ありません。私はよくMicrosoft Windowsに付属の電卓プログラム（表示メニューから「科学的」モードを選択）を使います。

ある程度の技術的スキルが必要です…

手動での観客スキャン安全評価は非常に面倒でミスが起こりやすいです。上記で指定したツールを使うには知識と経験が必要であり、技術的に熟練した人のみが行うべきです。

レーザーショーの評価

機材の準備が整ったら、ショー全体を数回実行して、特に明るく危険な効果を特定しリストアップしてください。これらが特定されたら、以下の手順でそれぞれを評価します。

ステップ1.

観客が最も近づける場所でレーザービームの照射強度を測定します。これを行うには、動かないビームを会場に投影します。（理想的には、ショー会場の事前情報を十分に得た上でスタジオで行うべきです。会場では、レーザー以外の人や観客がいないときにのみ行ってください。）このビームは、評価対象の効果と同じ色と出力レベルでなければなりません。検出器のヘッドを観客が最も近づける場所のビームに慎重に配置します。（特にシリコン検出器の場合、検出器ヘッドからの光の反射に注意してください。この反射光が部屋の他の人に危険を及ぼさないようにしてください。）ビームが1センチの検出器エリアを満たすか、少なくともオーバーフィルしていることを確認してください。

ビーム直径が1センチ未満の場合、レーザー出力が15mW未満でない限り、すでに安全でない露出です。メーターが示す値を「平方センチメートルあたりのワット数」として記録します。例えば、メーターが7.5mWを示した場合、7.5mW/cm2として記録します。7.5mWは非常に低いように思えるかもしれません[注1参照]。誰が7.5mWのビームでショーを行うでしょうか？なぜ7.5mWのビームを測定するのでしょうか？答えは、ステップ1でのビームは7.5mWではなく、平方センチメートルあたり7.5mWの照射強度であるということです。ビーム直径は1センチ以上であることが望ましく、7.5mWはより大きなビームの最も明るい部分に集められます。実際のビーム出力が数十ワットであっても、最も近いアクセス点でのビーム直径が十分に大きければ、照射強度を許容レベルまで下げることができます。

ステップ2.

効果が目を横切る際のパルス幅を測定します。これを行うには、効果を会場に投影し、最も明るい場所に高速フォトダイオードを慎重に配置します。（再度、不要な反射に注意してください。）最も明るい場所は、おそらくビームを強調するために画像内に複数のポイントがあるでしょう（例えば、角やアンカーポイントなど）。オシロスコープを使ってパルス幅を測定し、必要に応じて水平時間軸を調整しながら記録します。（パルス幅の定義は多様ですが、安全専門家は「フル幅半最大値（Full-Width, Half-Maximum）」のポイントを使用すべきと合意しています。例えば、パルスの振幅が2ボルトの場合、1ボルトのポイントで幅を測定します。）効果によって異なりますが、通常は約20マイクロ秒から500マイクロ秒の範囲です。（測定中に検出器が飽和していないことを確認してください。パルスが平坦なトップを持つ場合は飽和している可能性があり、その場合は中性密度光学フィルターを使用して検出器に当たる光の量を減らしてください。）

ステップ3.

パルス繰り返し率を測定します。これを行うには、水平スイープ時間を増やして2つ以上の連続したパルスが見えるようにし、パルス間の時間を測定します。関数電卓を使って、この時間の逆数を取ることで繰り返し率を計算します。例えば、パルス間の時間が16ミリ秒（0.016秒）であれば、パルス繰り返し率は1 / 0.016、つまり60Hzとなります。

効果に関する情報を収集したので、この効果が安全指針や政府規制で定められた最大許容露光量 [MPE] と比べてどうかを確認します。

ステップ4.

この効果の単一パルス最大許容露光量[MPE]を計算します。これは安全指針または政府規制で、特定のパルス幅に対して安全とされる最大の照射強度（レーザーのパワー密度）を定めています。単一パルスの[MPE]を計算するには[注1参照]、パルス幅（秒）を3/4乗し、その結果に0.0018を掛け、さらにその全体をパルス幅（秒）で割ります。（単位はワット毎平方センチメートル）

例えば、パルス幅が100マイクロ秒（0.000100秒）の場合、計算は(0.000100) ¾ X 0.0018 / 0.000100 = 0.018 W/cm2、つまり平方センチメートルあたり18ミリワットとなります。（Microsoft Windowsに付属の関数電卓でこれを行うには、0.0001を入力し、X^Yキーを押し、0.75（3/4に相当）を入力し、*を押し、0.0018を入力し、/を押し、0.0001を入力して=を押します。）ステップ1で測定した照射強度が単一パルスの[MPE]を超えている場合は、そこで中止してください。効果はレーザー光の1パルス（目のスキャン1回）に対しても安全ではなく、観客の前で実施してはいけません。

ステップ5.

この効果の多重パルス[MPE]を計算します。これは、観客が曝露されるパルス数に基づいて単一パルスの[MPE]を減少させたものです。基本的に、目に届く光のパルス数が多いほど、1パルスあたりの許容光量は少なくなります。多重パルス[MPE]を計算するには、露光時間（秒）にパルス繰り返し率を掛け、その数値を-1/4（マイナスの4分の1）乗します。例えば、露光時間が1/4秒[注2参照]でパルス繰り返し率が60Hzの場合、計算は(0.25 X 60) -1/4 = 0.508となります。（Microsoft Windowsに付属の関数電卓でこれを行うには、(キーを押し、0.25を入力し、*を押し、60を入力し、)キーを押します。）

これにより、露光時間中に経験したパルスの総数が得られます。次に、X^Yキーを押し、0.25を入力して、+/-キー（-1/4に相当）を押し、最後に=キーを押します。次に、この係数に単一パルスの[MPE]を掛けて、多重パルスの[MPE]を導き出します。この例では、0.018 X 0.508 = 0.0091 W/cm2、つまり平方センチメートルあたり9.1ミリワットとなります。ステップ1で測定した照射強度が多重パルスの[MPE]を超えている場合は、そこで中止してください。効果は露光時間に対して安全ではなく、観客の前で実施する前に減らして再測定する必要があります。

ステップ6.

このエフェクトが与える平均出力を計算し、露光時間に対する平均[MPE]と比較してください。これには、ステップ1で測定した照射強度にパルス幅とパルス繰り返し率を掛けます。例えば、照射強度が7.5mW/cm2、パルス幅が100マイクロ秒、繰り返し率が60Hzの場合、計算は0.0075 X 0.000100 X 60 = 0.000045 W/cm2、つまり0.045ミリワット毎平方センチメートルの平均出力となります。単一パルス[MPE]の計算を使って、1/4秒の露光時間（この場合の露光時間）に対する平均[MPE]は0.25 3/4 X .0018 / 0.25 = .00255 W/cm2、つまり2.5ミリワット毎平方センチメートルとなります。このエフェクトの平均出力が平均[MPE]を超える場合、その露光時間においてこのエフェクトは安全ではありません。

計算を誰かにチェックしてもらうと便利です。ミスはX線被曝の計算のように20年後に現れるのではなく、観客に即座に影響を与える可能性があります。

エフェクトが安全とみなされるためには、3つの[MPE]制限のいずれも超えてはなりません。観客スキャンショーでは、多重パルス[MPE]が最も厳しく、平均[MPE]が最も緩やかです。この例では、単一パルスと平均[MPE]は超えていませんが、多重パルス[MPE]は超えていました。

ショー全体をスコアリングする

上記の手動プロセスは、できるだけ多くのエフェクトに対して繰り返すべきです。時間が限られている場合は、最も危険性の高いエフェクトを測定してください。これは、観客に向けて数本のビームしか投射しないものや、パターンが小さい、または特に明るく見えるものです。エフェクトが[MPE]を超える場合は、レーザー出力やエフェクトの明るさを下げるか、パルス幅やパルス数を減らすようにエフェクトを変更してください。また、ショー全体の「総[MPE]」も考慮すべきです。ショー内のすべてのエフェクトがかろうじて[MPE]以下であっても、ショー全体としては[MPE]を超えている可能性があります。特定のエフェクトだけで[MPE]を計算しているため、ショー全体を手動で「スコアリング」する必要があります。残念ながら現時点では、この「総[MPE]」を統計的に算出する方法は開発されていません。そのため、「ギリギリの」エフェクトは安全側に倒して再プログラムしてください。

照射強度を下げるために発散角を大きくする

この文章を読んだり、自分で測定を行ったりすると、観客のところでのビーム直径が小さい場合、比較的低いビーム出力を使用しなければならないことに気づくでしょう。これは、ビーム直径が小さいと照射強度が高くなるためです。照射強度を下げるには、観客のところでビーム直径を大きくすることで、はるかに高いビーム出力を使用できるようになります。そのためには、レンズやコリメーターを使う必要があります。ビームを拡大して照射強度を適切なレベルに保てば、数ワットのレーザー出力を使用することも可能です。

簡略化されたアプローチ

何百ものエフェクトやショーを繰り返し手動で分析した結果、観客スキャンショーを安全にするためには、いくつかの要素が整っている必要があることがわかりました。

• 実際のスキャンとビーム変調は、目が経験するパルス幅を約1ミリ秒以下に保つのに十分な速さで行われる必要があります。
• 観客が最も近づける場所で測定されたビームの最大照射強度は、5mW/cm2から10mW/cm2の間である必要があります。

これら2つの要素を受け入れるなら、簡略化された方法で観客スキャンの安全性を評価できます。この簡略化された方法は、上記のステップ1に似た方法で、観客が最も近づける場所で動かず変調されていないビームの照射強度を測定することを含みます。このビームは観客に存在する可能性のある最高出力レベルを表す必要があり、これにより観客が経験する最大照射強度を把握できます。RGBレーザープロジェクターの場合、これは白色ビームであるべきです。現代のソフトウェアでは、ほとんどの場合、何らかの理由でビームが常に変調されているため、非変調ビームを得るのは難しいことに注意してください。例えば、アニメーションの有無にかかわらず、フレーム間のブランキング期間中などです。

したがって、ソフトウェア会社に相談して、動かず変調されていない、基本的にフルパワーのビームをソフトウェアから出す方法を確認し、この測定を行う必要があります。動かず変調されていないビームの照射強度を測定した結果は、5mW/cm2から10mW/cm2の間でなければなりません。もしビーム出力がそれ以上であれば、プロジェクターからの出力を下げるか、発散角を広げて5mW/cm2から10mW/cm2の照射強度レベルに調整する必要があります。そしてもちろん、この簡略化されたアプローチは、上記の2つの要素がいかなる状況でも破られないことを保証する信頼できるシステムがある場合に限り使用できます。

（この簡略化されたアプローチの厳密な数学的根拠はこの記事では示していませんが、これはJohn O'Haganによる「Audience Scanning Risk Assessment」の論文のコンセンサスでもあることに注意してください。詳細な情報はその論文を参照してください。）

レーザーショーの安全を保つために

ショーが現在すべての評価をクリアしているからといって、その状態がずっと続くとは限りません。ショーが安全でなくなる可能性はいくつかあります。例としては、ビーム出力の急激な増加や、投影システムの故障によりスキャンが停止すること（コンピューター、配線、スキャンシステムの故障を含む）などがあります。合理的な故障モードを考慮し、結果を制限するための制御措置（スキャン失敗時の安全装置など）を提供しなければなりません。PangolinのPASSシステムは、投影されるビーム出力やスキャンシステム、その他のプロジェクター関連システムを監視し、これらが安全なレベル内で動作していることを保証するよう設計されています。

あなたの努力へのご褒美

次に観客スキャンショーを見る機会があったら、さまざまな効果が目を通過するときの視覚に特に注意してください。強い残像を残す効果は不快で、ショー全体の楽しさを損ないます。そうなると、目は前の効果から回復するのに忙しく、次の効果を楽しめません。しかし、ほとんど残像を残さない効果は非常に美しく楽しい体験です。この場合、目は「やった！大丈夫！ショーを続けられる！」と言います。MPEを超える効果は一般的に残像を引き起こし、MPEを超えない効果は残像を引き起こしません。アーティストとして、MPEの測定値から学び、すべての人が安全で楽しいショーを作り出すことができます。

観客スキャンの安全に関する補足説明

注1. 本記事で示されているMPE値は、ANSI Z136.1「レーザーの安全な使用のための標準」からのものです。これは技術的には他の国際的な安全基準とは異なりますが、可視波長に関して主な違いは測定単位です。例えば、ANSI基準は平方センチメートルあたりワットを使用しますが、他の基準では平方メートルあたりワットを使うことがあります。しかし、これらの基準は実際の「露光限度」については驚くほど一致しています。お住まいの国のレーザー安全基準を参照し、規制の助言を求めてください。スウェーデンのような国では、観客にレーザービームをスキャンすることは違法です。

注2. 効果の露光時間を決定する際には、その効果がどれくらいの時間その場に残るかを考慮する必要があります。例えば、動いているファン効果やトンネル効果は目の前を非常に速く通過するため、露光時間は非常に短く、1回のスイープ程度になるでしょう。しかし、動いていないファン効果やトンネル効果は目の前を何度もスキャンするため、露光時間が長くなります。迷った場合は、0.25秒（1/4秒）を使用してください。人間はまばたきや頭を動かすことでビームを「そらす」ため、1/4秒はレーザー安全基準で普遍的に認められている自然な回避反応時間です。

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