观众扫描安全

让演出安全且令人愉快
作者：William R. Benner, Jr.

（本文的早期版本最初发表于1997年秋季版《The Laserist Magazine》。）

成功确定 观众扫描 演出的安全级别不仅需要合适的工具，还需要理解安全暴露限值背后的理论，并具备正确解读测量数据的能力。本文旨在解释观众扫描评估的基本概念，并提供一种“实操”方法来评估 激光演出中的观众扫描效果 。本文基于大量关于观众扫描安全性的研究，并经过安全专家审核，包括ILDA安全委员会主席Greg Makhov和英国国家放射防护委员会的John O’Hagan。由于本文准备过程中所用资源主要基于美国和英国，其他国家可能会采用不同的分析技术来评估投射到观众的光束。此外，在瑞典等一些国家，用激光束扫描观众是非法的。因此，您应咨询当地监管部门的意见。
在解释如何评估演出之前，先回答一个非常基本的问题——为什么要费心评估演出以确保其安全？对此至少有三个答案：

• 为了避免可能的法律诉讼 
  如果有人暴露在不安全的演出中，该演出可能会损害他或她的视力。在像美国这样诉讼频繁的环境中，这个人很可能会对场地所有者和演出制作方采取法律行动。如果演出被认定在不安全的水平运行，那么即使伤害并非由演出直接造成，该人获得赔偿的可能性也会增加。另一方面，如果演出完全安全地进行，就不会发生视力损害。即使有人决定尝试无理取闹的法律诉讼，如果演出是在安全水平运行，他们也不太可能获得赔偿。
• 安全的观众扫描表演比不安全的更令人愉快
  在安全水平下操作时，观众扫描表演几乎不会留下残影，这使整个表演更加愉快。您应该亲自测试这一点。下次有机会观看观众扫描表演时，请特别注意当各种效果掠过您的眼睛时的视力。那些似乎留下强烈残影的效果体验起来并不愉快，会影响整个表演。当这种情况发生时，您的眼睛会忙于从上一个效果中恢复，无法享受下一个效果。然而，留下很少或没有残影的效果既美丽又有趣。
• 因为可以安全完成
  作为人类，如果某件事看起来难以实现，我们有时宁愿避免它而不是去挑战它。当您开始了解激光安全的许多方面时，可能会觉得变量和公式太多，导致观众扫描安全难以评估。与其寻求安全专家的帮助，不如简单地否认存在安全问题。本文将首先介绍一些术语定义，然后向您展示如何评估观众扫描表演。

术语定义 

• 辐照度 
  激光安全中可能最重要且最基本的概念是辐照度。这是一个大词，简单来说就是单位面积上的激光功率浓度。它可以通过将光束的功率除以覆盖的面积来计算。例如，如果一个1瓦的光束覆盖1平方厘米的面积，那么它的辐照度就是每平方厘米1瓦。如果该光束允许发散覆盖2平方厘米的面积，注意它在宽度和高度上都扩大了。在这种情况下，辐照度是1瓦 / 4平方厘米（2厘米高×2厘米宽）= 每平方厘米0.25瓦。虽然由于光束扩展覆盖了更大的面积，辐照度大大降低，但光束的总功率仍然是1瓦。辐照度对激光安全如此关键的原因是，在安全评估中，您的眼睛被视为瞳孔直径为7毫米。任何直径为7毫米或更小的光束进入您的眼睛时，都会将该光束的全部功率传递到眼内。然而，如果光束大于7毫米，您的眼睛只会暴露于允许进入眼睛的那部分光束。ANSI Z136.1激光安全使用每平方厘米瓦特作为安全评估的计量单位。其他一些标准则使用每平方米瓦特作为计量单位。
• 平均功率与峰值功率 
  假设您想在屏幕上投射一个圆形图像。至少有两种方法可以产生该图像：1）通过光学元件如衍射光栅引导激光束；2）通过一组扫描器快速绘制圆形，使其看起来实心。扫描器能够在屏幕上创建相同实心图像的原因是视觉暂留现象。如果衍射光栅和扫描器产生相同的图像，它们在屏幕上的亮度将相同，因为它们会以相同的方式将激光总功率分布到屏幕上。在圆形的任一点，平均功率可能比激光功率低1000倍。然而，尽管这些图像看起来相同，但请不要忘记，在扫描器的情况下，屏幕上任一时刻只有一个点，这个点拥有激光的全部功率。如果您将眼睛放在圆形的那个点上，且激光束直径为7毫米或更小，您的眼睛每次激光束扫描经过瞳孔时都会接收到激光的全部功率。以我们的1瓦激光为例，尽管平均功率是1毫瓦，您的眼睛接收到的峰值功率却是1瓦！这个峰值功率是观众扫描安全评估中最危险且最容易被忽视的因素。
• 脉冲与多次脉冲
  当激光束扫描瞳孔时，称为向您的眼睛发射了一束激光脉冲。这是因为当激光束经过您的眼睛时，只有在激光束直径和扫描速率决定的短暂时间内，激光束才会进入您的眼睛。由扫描激光束产生的这束光脉冲类似于非扫描激光束仅在短暂瞬间开启时产生的脉冲。激光束在您的瞳孔内开启的时间称为“脉冲宽度”。对于观众扫描表演，这个脉冲宽度通常为20到500微秒。当您投射诸如隧道或平面扫描等效果时，是通过不断扫描隧道或平面使其看起来实心来实现的。当激光束穿过您的眼睛时，会允许一束光脉冲进入您的眼睛。由于扫描器会多次描绘该效果以使其看起来实心，您的眼睛将接收到多次光脉冲。脉冲和多次脉冲的概念之所以重要，是因为安全标准规定了单次脉冲和多次脉冲您可以暴露的最大光量。

如何评估观众扫描演出

本文将讨论如何使用辅助基本测量工具的手动计算来评估演出。这需要能够投射静止效果。尽管您的激光投影仪可以扫描诸如片扫描、隧道或光束阵列等效果，但效果本身必须保持静止，因为必须将光探测器放入扫描的光束效果中以获得准确测量。因此，ADAT 或其他录制演出无法通过这些技术有效评估。

辅助基本测量的手动计算所需工具

• 校准激光功率计 
  您必须使用设计用于测量静态（非移动且非调制）光束的激光功率计。由于仪表应能测量低光强，仪表应使用具有平坦光谱响应的硅探测器。为了便于进行安全评估，您应使用有效面积为 1 cm²（一平方厘米）的探测器。使用此尺寸的探测器更简单，因为如果光束填满或超出该探测器，仪表将额外测量以瓦特每平方厘米为单位的辐照度（激光功率的集中度）。虽然可以使用其他尺寸的探测器，但您需要进行计算以转换测量单位。为简便起见，本文假设使用 1cm² 探测器。
• 带放大器的快速硅光电二极管 
  快速硅光电二极管由多家供应商提供，包括滨松、Centronic 和 UDT。由于这些器件输出的是电流而非电压，因此必须使用外部放大器以便将其连接到示波器。或者，您也可以购买带有内置放大器的探测器，例如 Centronic 的 OSI 系列。对于观众扫描脉冲宽度测量，探测器的有效面积应为 7 毫米或更大。如果大于 7 毫米，您需要制作一个带有 7 毫米孔的遮罩并将其放置在探测器上。这称为限制光阑。（7 毫米是国际公认的用于安全评估的眼球瞳孔直径。）
• 示波器
  将使用示波器和快速硅光电二极管测量脉冲宽度和脉冲重复率。垂直带宽为50MHz或更高的模拟示波器即可。数字示波器应谨慎使用，因为如果不小心，采样混叠可能会发生。
• 科学计算器 
  任何能进行指数和十的幂运算的计算器都可以。通常，我使用微软Windows自带的计算器程序（从视图菜单选择“科学”模式）。
• 需要一定的技术技能… 
  手动观众扫描安全评估相当繁琐且易出错。需要具备上述工具的知识和经验，且应由技术熟练的人员执行。

评估演出

设备准备好后，应多次完整运行演出，以识别并列出特别明亮且危险的效果。识别后，通过以下步骤评估每个效果：

步骤 1. 测量观众可接近点处的激光束辐照度。为此，将一个不移动的激光束投射到场地内。（理想情况下，应在工作室内完成此操作，并对演出场地有充分了解。仅在场地内无人或无非激光人员及观众时进行此操作。）该激光束必须与所评估的效果颜色和功率等级相同。将探测器头小心地放置在观众可接近点的激光束中。（注意光线可能会从探测器头反射，尤其是硅探测器。确保反射光不会对房间内的其他人造成危害。）确保激光束覆盖（或至少填满）一平方厘米的探测区域。如果激光束直径小于一厘米，除非使用低于15mW的激光功率，否则这已经是不安全的暴露。记录仪表显示的数值，单位为“瓦特每平方厘米”。例如，如果仪表读数为7.5mW，则记录为7.5mW/cm²。现在7.5mW看起来似乎非常低[见注释1]。谁会用7.5mW的激光束做演出？为什么还要测量7.5mW的激光束？答案是，在步骤1中，激光束不是7.5mW，而是每平方厘米7.5mW的辐照度。希望激光束直径大于一厘米，7.5mW是在较大激光束最亮部分收集的。只要观众可接近点处的激光束直径足够大以降低辐照度到可接受水平，实际激光功率可达到数十瓦。

步骤 2. 测量效果穿过眼睛时的脉冲宽度。为此，将效果投射到场地中，并将快速光电二极管小心地放置在效果中最亮的位置。（同样，注意避免杂散反射。）最亮的位置可能在图像中有多个点用于固定光束以增强效果（例如在角落或锚点处）。使用示波器测量并记录脉冲宽度，必要时调整水平时间基准。（虽然定义脉冲宽度的方法有很多，但安全专家一致认为应使用“半高全宽”点。例如，如果脉冲幅度为 2 伏特，则测量 1 伏特处的宽度。）根据效果不同，脉冲宽度通常在 20 到 500 微秒之间。（确保测量时探测器未饱和。如果脉冲顶部平坦，可能已饱和，应使用中性密度光学滤光片减少照射到探测器的光量。）

步骤 3. 测量脉冲重复频率。为此，只需增加水平扫描时间，直到看到两个或更多连续脉冲，然后测量脉冲之间的时间。使用科学计算器，通过取该时间的倒数计算重复频率。例如，如果测得脉冲间隔为 16 毫秒（0.016 秒），则脉冲重复频率为 1 / 0.016，即 60Hz。

现在我们已经收集了有关该效果的信息，接下来将查看该效果是否符合安全指南和政府法规规定的最大允许暴露量 [MPE]。

步骤 4. 计算该效果的单脉冲最大允许暴露量 [MPE]。这是安全指南或政府法规规定的最大辐照度（激光功率密度），被认为在给定脉冲宽度下是安全的。要计算单脉冲 MPE [参见注释 1]（单位为瓦特每平方厘米），将脉冲宽度（秒）取 3/4 次方，乘以 0.0018，然后将整个结果除以脉冲宽度（秒）。例如，如果脉冲宽度为 100 微秒（0.000100 秒），计算公式为 (0.000100) ^¾ × 0.0018 / 0.000100 = 0.018 W/cm²，即每平方厘米 18 毫瓦。（使用 Microsoft Windows 自带的科学计算器进行此计算时，输入 0.0001，按 X^Y 键，输入 0.75（即 3/4），按 *，输入 0.0018，按 /，输入 0.0001，最后按 =。）如果步骤 1 测得的辐照度大于单脉冲 MPE，则立即停止——该效果即使只有一次激光脉冲（一次扫描穿过眼睛）也不安全，且不得在观众面前执行。

步骤5. 计算该效果的多脉冲[MPE]。这是基于观众将暴露的脉冲数量，对单脉冲[MPE]进行的折减。基本上，眼睛接收到的光脉冲越多，每个脉冲允许的光量就越少。计算多脉冲[MPE]时，将曝光时间（秒）乘以脉冲重复频率，然后将该数值提升到-1/4（负四分之一）次方。例如，如果曝光时间为1/4秒[见注2]，脉冲重复频率为60Hz，则计算为(0.25 X 60) ^-1/4 = 0.508。（使用微软Windows自带的科学计算器，按(键，输入0.25，按*键，输入60，按)键，这样得到曝光时间内经历的脉冲总数。然后按X^Y键，输入0.25，按+/-键（相当于-1/4），再按=键。）然后将该因子乘以单脉冲[MPE]，得到多脉冲[MPE]。在此例中为0.018 X 0.508 = 0.0091 W/cm²，即每平方厘米9.1毫瓦。如果步骤1测得的辐照度大于多脉冲[MPE]，则立即停止——该效果在该曝光时间下不安全，必须降低强度并重新测量后才能在观众面前使用。

步骤6. 计算该效果传递的平均功率，并将其与曝光时间的平均[MPE]进行比较。为此，将步骤1中测得的辐照度乘以脉冲宽度，再乘以脉冲重复频率。例如，如果辐照度为7.5mW/cm²，脉冲宽度为100微秒，重复频率为60Hz，则计算为0.0075 X 0.000100 X 60 = 0.000045 W/cm²，即每平方厘米平均功率为0.045毫瓦。使用单脉冲[MPE]的计算方法，我们可以找到1/4秒曝光的平均[MPE]（因为此处曝光时间为1/4秒），计算为0.25 ^3/4 X 0.0018 / 0.25 = 0.00255 W/cm²，即每平方厘米2.5毫瓦。如果该效果传递的平均功率大于平均[MPE]，则该效果在该曝光时间下不安全。

让别人帮你检查计算结果是很方便的。错误会立即影响观众，这与计算X射线曝光不同，后者的错误会在20年后才显现。

为了使效果被视为安全，必须不超过三个[MPE]限制中的任何一个。在观众扫描演出中，多脉冲[MPE]将是最严格的，而平均[MPE]将是最宽松的。这个具体例子说明了单脉冲和平均[MPE]未被超过，但多脉冲[MPE]被超过了。

对整个演出进行评分

上述手动过程应尽可能多地重复进行，或者如果时间有限，应测量那些带来最大危险的效果。这些效果通常只向观众投射少数光束，或投射尺寸较小或看起来特别明亮的图案。如果某个效果超过了[MPE]，您可以降低激光功率或效果亮度，或更改效果以减少脉冲宽度或脉冲数量。您还应考虑整个演出的“总[MPE]”。如果演出中的所有效果都刚好低于[MPE]，那么整个演出可能会超过[MPE]。由于您只计算了演出中特定效果的[MPE]，必须手动对整个演出进行“评分”。遗憾的是，目前还没有人开发出计算此“总[MPE]”的统计方法。在此之前，请以安全为重，重新编程那些“临界”的效果。

增加发散角以降低辐照度

在阅读本文或对您自己的演出进行测量时，您可能会意识到如果观众处的光束直径较小，则必须使用相对较低的光束功率。这是因为光束直径小，辐照度高。您可以通过增加观众处的光束直径来降低辐照度，这将允许使用更高的光束功率。为此，您需要使用透镜或准直器。如果通过扩展光束将辐照度保持在合理水平，可以使用数瓦的激光功率。

简化方法

经过对数百个效果和演出反复进行手动分析后，可以看到为了确保观众扫描演出的安全，需要满足几个因素：

• 实际的扫描和光束调制需要以足够快的速度进行，以保持眼睛感受到的脉冲宽度约为1毫秒或更快。
• 在观众可接近的最近点测量的光束最大辐照度需要介于5mW/cm之间² 和10mW/cm².

如果您接受这两个因素，则可以使用简化方法评估观众扫描安全性。简化方法涉及在观众最近接触点测量非移动、非调制光束的辐照度，方式类似于上述步骤1。该光束必须代表观众中可能出现的最高功率水平，从而让您评估观众可能经历的最大辐照度。对于RGB激光投影仪，这应为白光束。请注意，使用现代软件时，通常很难获得非调制光束，因为大多数情况下，现代软件总会以某种原因调制光束——例如，在帧间空白期间，无论是否投影动画。因此，您必须咨询您的软件公司，了解如何从软件中获得非移动、非调制且基本全功率的光束，以便进行此测量。一旦测量了非移动、非调制光束的辐照度，该值必须介于5mW/cm之间² 和10mW/cm²。如果光束功率更高，您需要降低投影仪输出功率，或增加发散角，以实现5mW/cm和10mW/cm之间的辐照度水平。² 和10mW/cm²当然，只有在有可靠系统确保上述两个因素在任何情况下都不被违反时，才能使用这种简化方法。

（本文未介绍这种简化方法的严格数学基础，但应注意，这也是John O’Hagan关于观众扫描风险评估论文的共识。有关更详细的信息，可查阅该论文。）

保持演出安全

仅仅因为演出现在通过了所有评估，并不意味着它将一直保持如此。可能会发生多种情况使演出变得不安全。例如：光束功率突然增加，投影系统出现故障，导致扫描停止，包括计算机、布线或扫描系统故障。您必须考虑合理的故障模式并提供控制措施（例如扫描故障保护）以限制后果。[MPE]的PASS系统设计用于监控投射光束功率以及 扫描系统 以及其他与投影仪相关的系统，并确保它们在安全水平内运行。

对您辛勤工作的奖励

下次您有机会观看时 观众扫描表演时，请特别注意当各种效果掠过眼睛时的视觉感受。留下强烈残影的效果体验不佳，会影响整个表演。当发生这种情况时，您的眼睛会忙于从上一个效果中恢复，无法享受下一个效果。然而，几乎不留残影的效果非常美丽且令人愉快。在这种情况下，您的眼睛会说“哇！我成功了！我还能继续享受表演！”事实证明，超过 MPE 的效果通常会产生残影，而未超过 MPE 的效果则不会。作为艺术家，您可以通过 MPE 测量学习，创作安全且令人愉快的表演。

尾注

注释 1. 本文中所表达的 MPE 值均来自 ANSI Z136.1 激光安全使用标准。虽然这在技术上与其他国际安全标准不同，但对于 可见波长 的主要区别在于计量单位。例如，ANSI 标准使用瓦特每平方厘米，而其他一些标准使用瓦特每平方米。然而，这些标准在实际“曝光限值”方面出奇地一致。您应参考所在国家的激光安全标准并寻求监管建议。在某些国家，如瑞典，使用激光束扫描观众是非法的。

注释 2.在确定效果的曝光时间时，应考虑效果在场景中停留的时间。例如，移动的扇形效果和隧道效果会非常快速地掠过视线，因此曝光时间会非常短——可能只有一次扫过的时间。但不移动的扇形效果和隧道效果会多次扫过视线，导致更长的曝光时间。如有疑问，可以使用四分之一秒（0.25秒），因为人类会通过眨眼或转头“避开”光束，而四分之一秒是 激光安全标准中普遍认可的自然回避反应时间。

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