観客スキャンの安全性

ショーを安全で楽しいものにするために
ウィリアム・R・ベナー・ジュニア著

(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。)

Audience Scanningショーの安全レベルを正しく判断するには、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Audience Scanning評価の基本概念と、レーザーショー内でのaudience scanning効果を評価する「実践的」なアプローチを説明することを目的としています。この記事は多くのaudience scanning安全性に関する研究に基づいており、ILDA安全委員会委員長のGreg Makhov氏や英国国立放射線防護委員会のJohn O’Hagan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合衆国とイギリスに基づいているため、他の国では観客に投影されるビームを評価するために異なる分析技術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が違法です。このため、地元の規制当局の助言を求めるべきです。
ショーの安全性を評価する方法を説明する前に、そもそもなぜショーの安全性を確認するために評価を行う必要があるのかという基本的な疑問に答えるのが良いでしょう。この質問には少なくとも三つの答えがあります：

• 法的措置を避けるために 
  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。アメリカ合衆国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、その人が損害賠償請求を認められ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る場合、請求が認められる可能性は低いでしょう。
• 安全な観客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体験として快適ではなく、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、残像がほとんどまたは全く残らない効果は美しく、楽しい体験となります。
• 安全に行えるからです
  人間は、何かが達成困難に思えるとき、挑戦するよりも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性を評価するのが難しいと感じるかもしれません。安全の専門家に助けを求める代わりに、安全問題がないと単純に否定する方が楽です。この記事ではまず用語の定義を紹介し、その後に観客スキャンショーの評価方法を説明します。

用語の定義 

• 照射強度 
  レーザー安全の最も重要で基本的な概念は照射強度です。これはレーザーの出力が単位面積あたりにどれだけ集中しているかを示す専門用語です。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っている場合、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ようになると、幅と高さの両方で拡大したことになります。この場合、照射強度は1ワット ÷ 4平方センチメートル（2cm 高さ × 2cm 幅）= 0.25ワット／平方センチメートルです。ビームが広がってより大きな面積を覆う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、安全評価のために、目の瞳孔径は7mmとみなされるからです。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、目に入る部分だけが曝露されます。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 
  例えば、スクリーンに円の画像を投影したいとします。その画像を作る方法は少なくとも2つあります。1) 回折格子のような光学素子を通してビームを導く方法、2) スキャナーのセットにビームを向けて円を高速で描き、固体のように見せる方法です。スキャナーがスクリーンに同じ固体画像を作れる理由は、残像効果（視覚の残像現象）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なら、レーザーの総出力を同じ量だけスクリーン全体に分散させるため、スクリーン上の明るさは同じになります。円の任意の一点での平均出力はレーザー出力の1000分の1程度かもしれません。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任意の時点でスクリーン上にビームが当たるのは一点だけで、その点はレーザーの全出力を持っています。もしその円の一点に目を置き、ビーム直径が7mm以下なら、ビームが瞳孔をスキャン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う場合、平均出力は1mWでも、目が受けるピーク出力は1ワットです！このピーク出力は最も危険で、観客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ってスキャンするとき、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際、ビームの直径とスキャン速度に応じて、目に入る時間が非常に短いためです。このスキャンされたビームによって作られる光のパルスは、スキャンせ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の長さは「パルス幅」と呼ばれます。観客向けのスキャンショーでは、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効果を投影するときは、それらを連続的にスキャンして固体のように見せます。ビームが目を横切るとき、光のパルスが目に入ります。スキャナーはこの効果を何度もトレースして固体のように見せるため、目は複数の光のパルスを受け取ります。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で曝露できる最大光量を規定しているためです。

観客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でショーを評価する方法について説明します。これには、静止した効果を投影できることが必要です。レーザープロジェクターがシートスキャン、トンネル、ビームの配列などのスキャン効果を出していても、効果自体は静止していなければなりません。なぜなら、正確な測定を得るために光検出器をスキャンされたビーム効果内に置く必要があるからです。このため、ADATや他のテープショーはこれらの技術で効果的に評価できません。

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 
  静止（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必要があるため、平坦なスペクトル応答を持つシリコン検出器を使用すべきです。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）のものを使うべきです。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照射強度（レーザーパワーの集中度）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の検出器を使用する前提とします。
• 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シリーズのように内蔵アンプ付きの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を作成し、検出器の上に置く必要があります。これをリミティングアパーチャと呼びます。（7mmは安全評価に使用され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あれば問題ありません。サンプリングエイリアシングが起こる可能性があるため、デジタルオシロスコープは注意して使用してください。
• 科学技術計算機 
  指数計算や10のべき乗ができる計算機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「科学技術」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… 
  手動による観客スキャンの安全評価は非常に面倒で誤りが起こりやすいです。上記のツールを使いこなす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。

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施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、以下の方法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。そのためには、動かないビームを会場に投射します。（理想的には、ショー会場の情報を事前に十分に把握した上でスタジオで行うべきです。会場では、レーザーに関係のない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内に慎重に配置します。（特にシリコン検出器の場合、検出器のヘッドから光が反射することがあります。この反射光が部屋の他の人に危険を及ぼさないように注意してください。）ビームが1センチメートルの検出面積を満たすか、少なくとも覆うようにしてください。ビーム直径が1センチメートル未満の場合、レーザー出力が15mW未満でない限り、すでに安全でない照射です。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と記録します。7.5mWは非常に低い値に思えるかもしれません[注1参照]。7.5mWのビームでショーを行う人がいるでしょうか？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でのビーム出力は7.5mWではなく、照射強度が平方センチメートルあたり7.5mWだからです。ビーム直径は1センチメートル以上であり、7.5mWはより大きなビームの最も明るい部分に集められています。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、照射強度を許容範囲内に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。会場に効果を投影し、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てください。（反射光にも注意してください。）最も明るい場所は、ビームを強調するために複数のポイントがあることが多いです（例えば角やアンカーポイント）。オシロスコープを使い、必要に応じて水平時間軸を調整しながらパルス幅を測定・記録します。（パルス幅の定義は様々ですが、安全専門家は「Full-Width, Half-Maximum」（半値全幅）を使うことに同意しています。例えば、パルスの振幅が2ボルトなら1ボルトの幅を測定します。）効果によりますが、通常は約20〜500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フィルターを使って検出器に当たる光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。これには、水平スイープ時間を増やして2回以上連続するパルスが見えるようにし、パルス間の時間を測定します。科学電卓を使い、この時間の逆数を計算して繰り返し率を求めます。例えば、パルス間の時間が16ミリ秒（0.016秒）なら、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。これは安全指針や政府の規制で、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）を定めたものです。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、さらにパルス幅（秒）で割ります。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 × 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の科学電卓で計算するには、0.0001を入力し、X^Yキーを押し、0.75（3/4に相当）を入力、*を押し、0.0018を入力、/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MPEを超えている場合はそこで中止してください — その効果はレーザー光の1パルス（目を横切る1回のスキャン）でも安全ではなく、観客の前で実施してはいけません。

ステップ5. この効果の複数パルス[MPE]を計算します。これは単一パルス[MPE]を、聴衆が曝露されるパルス数に基づいて減少させたものです。基本的に、目に届くパルスの数が多いほど、1パルスあたりの許容光量は少なくなります。複数パルス[MPE]を計算するには、曝露時間（秒）にパルス繰り返し率を掛け、その数を-1/4（マイナス1/4）乗します。例えば、曝露時間が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、*キーを押し、60を入力し、)キーを押します。これで曝露時間中に経験する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、+/-キー（-1/4に相当）を押し、=キーを押します。）この係数に単一パルス[MPE]を掛けて複数パルス[MPE]を求めます。この例では0.018 X 0.508 = 0.0091 W/cm²、つまり9.1ミリワット毎平方センチメートルとなります。ステップ1で測定した照射強度が複数パルス[MPE]を超える場合はそこで中止してください—その効果は曝露時間に対して安全ではなく、聴衆の前で実施する前に減少させて再測定する必要があります。

ステップ6. この効果によって与えられる平均パワーを計算し、曝露時間の平均[MPE]と比較します。これを行うには、ステップ1で測定した照射強度にパルス幅を掛け、さらに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、つまり平均パワーは0.045ミリワット毎平方センチメートルとなります。単一パルス[MPE]の計算を使って、曝露時間が1/4秒の場合の平均[MPE]は0.25^3/4 X 0.0018 / 0.25 = 0.00255 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。この効果によって与えられる平均パワーが平均[MPE]を超える場合、その曝露時間においてこの効果は安全ではありません。

計算を誰かに確認してもらうと便利です。間違いは聴衆に即座に影響を与える可能性がありますが、X線被曝の計算では間違いが20年後に現れるのとは異なります。

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。Audience Scanningショーでは、複数パルスの[MPE]が最も厳しく、平均[MPE]が最も緩やかです。この例では、単一パルスと平均の[MPE]は超えていませんが、複数パルスの[MPE]は超えていることが示されています。

ショー全体を評価する

上記の手動プロセスはできるだけ多くのエフェクトで繰り返すべきです。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、小さなパターンを投射するもの、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「評価」する必要があります。残念ながら現時点では、この「総[MPE]」を算出する統計的手法は開発されていません。そのため、安全を優先して「ギリギリの」エフェクトは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

これを読みながら、またはご自身のショーで測定を行う際に、観客のビーム直径が小さい場合は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かもしれません。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、観客側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許容できます。そのためには、レンズやコリメーターを使用する必要があります。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。

簡略化したアプローチ

何度も手動で分析を繰り返し、数百のエフェクトやショーを検証した結果、Audience Scanningショーを安全にするためにはいくつかの要因が必要であることがわかります。

• 実際のスキャンとビームの変調は、目が感じるパルス幅を約1ミリ秒以下に保つのに十分な速さで行う必要があります。
• 観客が最も近づける地点で測定されたビームの最大照射強度は、5mW/cmの間である必要があります。² および10mW/cm².

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。この方法は、上記ステップ1と同様に、観客が最も近づける点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。ビームは観客に届く中で最も高い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の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、アニメーションの投影中であっても、フレーム間のブランキング期間中に変調されることがあります。したがって、この測定を行うために、非移動・非変調でほぼフルパワーのビームをソフトウェアから出す方法について、ソフトウェア会社に相談する必要があります。非移動・非変調ビームの照射強度を測定したら、それは5mW/cmの間でなければなりません。² および10mW/cm²。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/cmから10mW/cmの間の照射強度レベルを達成する必要があります。² および10mW/cm²そしてもちろん、この簡略化された方法は、上記の2つの要素がいかなる状況でも違反されないことを確実にする信頼できるシステムが存在する限りにおいてのみ使用できます。

（この簡略化された方法の厳密な数学的根拠はこの記事では示していませんが、John O’Haganによる「観客スキャンリスク評価に関する論文」のコンセンサスでもあることに注意してください。詳細は論文をご参照ください。）

ショーの安全を守る

現在ショーが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原因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）を用意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を監視するよう設計されています。 スキャンシステム およびその他のプロジェクター関連システムが安全なレベルで動作していることを確認します。

あなたの努力への報酬

次に鑑賞する機会があったら 観客スキャンショーでは、さまざまなエフェクトが目を通過するときに視界に特に注意を払ってください。強い残像を残すエフェクトは不快で、ショー全体の楽しさを損ないます。このような場合、目は前のエフェクトから回復するのに忙しく、次のエフェクトを楽しむことができません。しかし、ほとんど残像を残さないエフェクトは非常に美しく楽しい体験となります。この場合、目は「わあ！成功した！そしてショーを続けて楽しめる！」と言います。MPEを超えるエフェクトは一般的に残像を引き起こし、MPEを超えないエフェクトは残像を引き起こさないことがわかっています。アーティストとして、MPEの測定値から学び、すべての人にとって安全で楽しいショーを作り出すことができます。

脚注

注1. この記事全体で示されている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標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用します。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.エフェクトの露光時間を決定する際には、エフェクトがどれくらいの時間その場に留まるかを考慮する必要があります。例えば、動いているファンエフェクトやトンネルエフェクト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エフェクトやトンネルエフェクト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）を使用してもよいでしょう。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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