如何创建安全的观众扫描激光秀

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

成功确定观众扫描激光表演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，并能够正确解读测量数据。本文旨在解释观众扫描评估的基本概念，并提供一种“实操”方法来评估激光表演中的观众扫描效果。

本文基于大量关于观众扫描安全的研究，并且经过包括ILDA安全委员会主席Greg Makhov和英国国家放射防护委员会John O'Hagan等安全专家的审阅。由于准备本文所用资源主要来自美国和英国，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。

在解释如何评估表演之前，先回答一个非常基本的问题——为什么要费心评估表演以确保其安全？对此至少有三个答案：

理由 #1。避免可能的法律诉讼

如果有人暴露在不安全的表演中，该表演可能会损害他们的视力。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表演制作方采取法律行动。如果表演被认定在不安全的水平运行，即使伤害并非由表演直接造成，该人获得赔偿的可能性也会增加。另一方面，如果表演完全安全进行，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，如果表演在安全水平运行，他们也不太可能获得赔偿。

理由 #2。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，使整个表演更加愉快。你应该亲自测试。下次有机会观看观众扫描表演时，特别注意当各种效果经过你的眼睛时的视觉感受。那些留下强烈残影的效果体验起来不愉快，会影响整个表演。当这种情况发生时，你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，几乎不留下残影的效果既美丽又有趣。

理由三：因为它可以安全进行

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。当你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，然后向你展示如何评估观众扫描表演。

观众扫描术语定义

辐照度

可能激光安全中最重要和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，则其辐照度为1瓦每平方厘米。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展了。在这种情况下，辐照度为1瓦 / 4平方厘米（2厘米高×2厘米宽）= 0.25瓦每平方厘米。尽管辐照度因光束扩展覆盖更大面积而大幅降低，但总光束功率仍然是1瓦。

辐照度对激光安全至关重要的原因在于，在安全评估中，眼睛被视为瞳孔直径为7毫米。任何进入眼睛且直径为7毫米或更小的光束，都会将该光束的全部功率传递到眼睛中。然而，如果光束大于7毫米，眼睛只会暴露于允许进入眼睛的7毫米部分。ANSI Z136.1《激光安全使用标准》使用瓦特每平方厘米作为安全评估的计量单位。其他一些标准则使用瓦特每平方米作为计量单位。

平均功率与峰值功率

假设你想将一个圆形的图像投射到屏幕上。至少有两种方法可以产生该图像：

• 通过光学元件如衍射光栅引导光束
• 将光束引导到一组扫描器，这些扫描器可以快速绘制圆形并使其看起来实心。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。在圆周上的任一点，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，但别忘了在扫描器的情况下，屏幕上任何时刻只有一个点，这个点拥有激光的全部功率。如果您将眼睛放在圆周上的那个点，并且光束直径为7毫米或更小，您的眼睛每次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，但您的眼睛接收到的峰值功率是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。

脉冲和多次脉冲

当激光束扫描通过瞳孔时，称为向您的眼睛发出一束激光脉冲。这是因为当光束扫描经过您的眼睛时，光束只会在短时间内进入您的眼睛，具体时间取决于光束直径和扫描速率。由扫描光束产生的这束光脉冲类似于非扫描光束仅在短暂瞬间开启时产生的脉冲。光束在您的瞳孔内开启的时间称为“脉冲宽度”。

对于观众扫描演出，这个脉冲宽度通常为20到500微秒。当您投射隧道或幕布扫描等效果时，是通过不断扫描隧道或幕布使其看起来是实心的。当光束经过您的眼睛时，会让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

在本文中，我们将讨论如何使用手动计算和基本测量工具评估激光秀。这需要能够投射一个静止的效果。虽然您的激光投影仪可以扫描诸如幕布扫描、隧道或光束阵列等效果，但效果本身必须保持静止，因为必须将光检测器放置在扫描的光束效果中以获得准确的测量。因此，ADAT或其他录制的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

您必须使用专为测量静态（非移动且非调制）光束设计的激光功率计。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（激光功率浓度）。虽然可以使用其他尺寸的探测器，但您需要进行换算。为简便起见，本文假设使用1平方厘米的探测器。

带放大器的快速硅光电二极管

快速硅光电二极管可从多家供应商处获得，包括滨松、Centronic 和 UDT。由于这些设备输出的是电流而非电压，必须使用外部放大器以便连接到示波器。或者，您也可以购买带内置放大器的探测器，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，则需要制作一个带有7毫米孔的遮罩并覆盖在探测器上，这称为限制光阑。（7毫米是国际公认用于安全评估的眼球瞳孔直径。）

示波器

示波器将与快速硅光电二极管一起使用，以测量脉冲宽度和脉冲重复频率。垂直带宽为50MHz或更高的模拟场效应示波器都能正常工作。数字示波器应谨慎使用，因为如果不小心，可能会出现采样混叠。

科学计算器

任何能够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）。

一些技术技能...

手动观众扫描安全评估相当繁琐且容易出错。它需要使用上述工具的知识和经验，且应仅由技术熟练的人员进行。

激光秀评估

设备准备好后，您应多次运行整个演出，以识别并列出特别明亮且危险的效果。确定这些效果后，通过以下步骤对每个效果进行评估：

步骤 1。

在观众最近接触点测量激光光束辐照度。为此，将不移动的光束投射到场地中。（理想情况下，应在工作室进行，并对演出场地有充分了解。仅在场地无人或无非激光人员及观众时进行此操作。）该光束必须与被评估效果的颜色和功率水平相同。小心将探测器头放入观众最近接触点的光束中。（注意光线可能从探测器头反射，尤其是硅探测器。确保反射光不会对房间内其他人构成危险。）确保光束覆盖（或至少填满）一平方厘米的探测区域。

如果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。将仪表显示的数值记录为“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。7.5mW看起来可能非常低[见注释1]。谁会用7.5mW的光束做表演？为什么还要测量7.5mW的光束？答案是，在步骤1中，光束不是7.5mW，而是其辐照度为每平方厘米7.5mW。希望光束直径大于一厘米，7.5mW会集中在较大光束的最亮部分。只要在最近的接触点光束直径足够大以降低辐照度到可接受水平，实际光束功率可达到数十瓦。

步骤 2。

测量效果穿过视线时的脉冲宽度。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，要注意杂散反射。）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，根据需要调整水平时间基准。（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“全宽半高”点。例如，如果脉冲幅度为2伏特，则在1伏特点测量宽度。）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。

测量脉冲重复率。方法是增加水平扫描时间，直到看到两个或更多连续脉冲，测量脉冲间的时间。使用科学计算器，通过取该时间的倒数计算重复率。例如，如果测得脉冲间隔为 16 毫秒（0.016 秒），脉冲重复率为 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曝光量 [MPE]。这是安全指南或政府法规，规定了给定脉冲宽度下被认为安全的最大辐照度（激光功率密度）。计算单脉冲 [MPE][见注释 1]（单位瓦特每平方厘米），将脉冲宽度（秒）提升到 3/4 次方，乘以 0.0018，再除以脉冲宽度（秒）。

例如，如果脉冲宽度为 100 微秒（0.000100 秒），计算为 (0.000100) ^ 3/4 X 0.0018 / 0.000100 = 0.018 W/cm2 或每平方厘米 18 毫瓦。（使用 Microsoft Windows 自带的科学计算器，输入 0.0001，按 X^Y 键，输入 0.75（相当于 3/4），按 *，输入 0.0018，按 /，输入 0.0001，按 =。）如果步骤 1 中测得的辐照度大于单脉冲 [MPE]，请立即停止——该效果甚至对单个激光脉冲（一次扫描眼睛）都不安全，禁止在观众面前执行。

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] 进行的折减版本。基本上，眼睛接收到的光脉冲越多，每个脉冲允许的光强就越低。计算多脉冲 [MPE]，将曝光时间（秒）乘以脉冲重复率，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[见注释 2]，脉冲重复率为 60Hz，计算为 (0.25 X 60) ^ -1/4 = 0.508。（使用 Microsoft Windows 自带的科学计算器，按 ( 键，输入 0.25，按 *，输入 60，按 ) 键。）

这将给出曝光时间内经历的脉冲总数。然后按 X^Y 键，输入 0.25 并按 +/- 键（相当于 -1/4），然后按 =。接着将此因子乘以单脉冲 [MPE]，得出多脉冲 [MPE]。在此示例中，计算为 0.018 X 0.508 = 0.0091 W/cm2 或每平方厘米 9.1 毫瓦。如果步骤 1 中测得的辐照度大于多脉冲 [MPE]，请立即停止——该效果在此曝光时间下不安全，必须减少曝光并重新测量后才能在观众面前执行。

步骤 6。

计算该效果传递的平均功率，并将其与暴露时间的平均[MPE]进行比较。为此，将步骤1中测得的照射强度乘以脉冲宽度，再乘以脉冲重复频率。例如，如果照射强度为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，或每平方厘米0.045毫瓦的平均功率。使用单脉冲[MPE]的计算方法，我们可以找到1/4秒暴露时间的平均[MPE]（因为此处暴露时间为1/4秒），计算为0.25 3/4 X .0018 / 0.25 = .00255 W/cm2，或每平方厘米2.5毫瓦。如果该效果传递的平均功率大于平均[MPE]，则该效果在该暴露时间内不安全。

让别人检查您的计算很有用。错误会立即影响观众，这与计算X射线暴露不同，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]则最宽松。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。

为整个演出评分

上述手动过程应尽可能多地重复用于各种效果。或者，如果时间有限，应测量那些危害最大的效果。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“评分”整个演出。不幸的是，目前还没有人开发出统计方法来得出这个“总[MPE]”。在此之前，请以安全为重，重新编程那些“临界”的效果。

增加发散角以降低照射强度

在阅读本文或自行测量演出时，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，照射强度高。您可以通过增大观众处的光束直径来降低照射强度，这将允许使用显著更高的光束功率。为此，您需要使用透镜或准直器。如果通过扩展光束将照射强度保持在合理水平，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，可以看出，为了确保观众扫描演出的安全，需要满足多个因素：

• 实际的扫描和激光束调制需要以足够快的速度进行，以使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激光束最大辐照度需要介于5mW/cm2和10mW/cm2之间。

如果您接受这两个因素，则可以使用简化方法来评估观众扫描安全。简化方法涉及在观众可接近的最近点测量不移动、不调制激光束的辐照度，方式类似于上述步骤1。该激光束必须代表观众区域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，通常很难获得不调制的激光束，因为大多数情况下，现代软件总会以某种原因调制激光束——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一个不移动、不调制且基本全功率的激光束，以便进行此测量。一旦测量了不移动、不调制激光束的辐照度，它必须介于5mW/cm2和10mW/cm2之间。如果激光束功率过高，您需要降低投影仪输出功率，或增加发散角，以达到5mW/cm2到10mW/cm2之间的辐照度水平。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的论文共识。有关更详细的信息，可查阅该论文。）

保持激光演出安全

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安全。可能会发生多种情况使演出变得不安全。例如：激光束功率突然增加，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（例如扫描失败保护）以限制后果。Pangolin 的 PASS 系统设计用于监控投射的激光束功率以及扫描系统和其他投影相关系统，确保它们在安全水平内运行。

对您辛勤工作的奖励

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视线时的视觉感受。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！我挺过来了！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。

观众扫描安全附注

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迅速掠过视线，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避让反应时间。

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