レーザーライトショーは安全か? Ophir BC20を使用して
ライトショーアプリケーションでスキャンされた効果を評価

James Stewart, MSc, LVR Limited, UK

ロックやポップスのコンサートは、ナイトクラブやテーマパークなどの他のエンターテイメント会場と同様に、レーザー光源を使用してカラフルで鮮やかな照明効果を作り出します。非コヒーレント照明が進歩しても、テクノロジーはレーザー照明効果の独特の外観を再現できませんでした。

ライトショー用途に使用されるレーザーの種類は、通常、投影装置で採用されている技術に基づいて、一般的な波長範囲にわたって20Wを超える放射パワーを発します。このようなパワーを発するデバイスは、クラス4レーザー製品の領域にしっかりと組み込まれており、目や皮膚に危険をもたらすだけでなく、潜在的な火災の危険性もあります。

人または公衆がレーザー放射で直接照射されるディスプレイ用途 (一般的にはオーディエンススキャンと呼ばれる行為)では、離隔距離、露光時間の制限、光源でのビームの減衰を組み合わせて、確実に露光レベルを超えないようにする必要があります。

2010年4月以降、欧州加盟国全体で、EU物理的薬剤指令 (人工光放射) 2006/25/EC の実施により、国際委員会が発行した国際的に認められたガイダンス値から導出されたレーザー露光限界値 (ELV) が定められています。国際非電離放射線防護委員会 (ICNIRP) に関する規定は、職業上の被ばくレベルを超えてはならない義務的となっています。見つかった場合には罰則が科せられる可能性があります。したがって、この法律では、会場内の従業員が過剰なレーザー放射にさらされないようにするため、レーザーショーのプロバイダーと会場管理者に特定の義務を課しています。また、一般の人々がレーザー効果を見ているエリアでは従業員が監督している可能性が高いため、観客にも同様のレベルの保護が与えられます。

人体にレーザー放射を安全に照射するには、必然的に可視光線への露光を非常に短時間にする必要があります。これは、露光時間が長くなると露光限界内で許容されるレーザーエネルギー量が減少するためです。したがって、露出時間を制限することで、より明るい効果が可能になります。

標準的なレーザーパワーメーターとシリコンフォトダイオードセンサーを使用すると、典型的なライトショーの発光を評価しようとするときに重大な問題が生じます。これは、標準メーターが定常CWレーザービームを測定することを目的としているためです。これらは通常、娯楽施設と比較するとかなり無菌的な環境であると考えられます。さらに、標準的なセンサーは、レーザー効果評価のためにビームがディテクターに直接照射される短い時間では適切に機能できません。この問題は、レーザー光がセンサーに照射される時間が、露光を評価するために賢明に使用できる読み取り値を提供するには不十分であるという事実によるものです。基本的に、シリコンフォトダイオードベースのディテクターは、熱対応するディテクターよりもはるかに速く入射光に反応しますが、ほとんどの設計は依然として発光のピークパワーを検出して記録できるほど感度が低く、せいぜい平均パワーレベルの表示のみを提供します。露光限界評価を行うのには適していません。

The Ophir BC20ディテクターは、コネクターにピークホールドディテクター/アンプを提供することでこの制限を克服しています。これにより、短時間露光の放出を正確に登録し、Nova IIやVegaなどのOphirの標準メーターディスプレイを介してユーザーにピーク値を報告できるようになります。

実際には、このタイプのディテクターを使用する場合と標準的なシリコンフォトダイオードを使用する場合の違いは非常に驚くべきものです。たとえば、各タイプのデバイスで固定スキャニングコーン効果を測定すると、10倍の差が示されます。評価者が評価に標準のシリコンディテクターを使用し、放出レベルを設定した場合、実際の露光量は同様の要因で安全露光限界を超える可能性があります。増加した変動ダイナミクスが存在する状態で効果を測定する場合、2 つのタイプのディテクター間の違いはさらに大きくなります。ライトショー用途では、通常、単一のレーザービームの外観を変更します。これは、直交配置に配置された検流計に取り付けられた2つの小さなミラーを使用して、架空のX-Yフィールド内でビームを高速にスキャンします (図1)。これらの動きはコンピュータープログラムによって制御され、典型的なレーザーディスプレイを構成する広範囲の空中パターンを作成するために使用されます。ビームの伝播を変更する他の方法には、ビームをミラーボール、ポリゴンミラー、他の遠隔効果、および回折光学素子 (レーザー投影装置の内部または外部) を使用してビームを複数のサブビームに分割することもできます。いずれの場合も、エフェクト内に存在する動きにより、結果として生じる放出は、短い1回または繰返しの露光の可能性 (有効パルス幅) をもたらします。

さまざまな会場サイズでさまざまなライトショー効果の露光時間を調査した結果によると、ビームが7mmの開口部を通過するのにかかる時間は、ゆっくりと明るく見えるフィンガービームタイプのエフェクトの場合は数ミリ秒から、最も速く動くエフェクトの場合は数十マイクロ秒の範囲であることを示しています。多数のエフェクトは通常、数百マイクロ秒の有効パルス幅を作成します。

BC20は、標準のパワーメーターディテクターを使用する際の欠点を克服できます。BC20のピークホールドディテクターは、10μsという短いパルスを記録できるため、このデバイスは、スキャンされたレーザーショーの発光の大部分に存在するピークパワーを直接測定するのに適しています。接触可能な接触点での放出に存在するピークパワーが決定され、パワーから放射照度への単純な変換に従って、評価者は該当する放射照度ベースの露光制限に対して露光を評価できます。読み取り値の登録に必要なパルスは1つだけなので、BC20を使用すると、動作中のレーザー効果に存在するピークパワーを即座に決定できます。これは、標準的なパワーメーターを使用して達成することは不可能でした。

BC20は、困難な測定環境と考えられやすい環境での静的レーザービームの測定にも役立ちます。レーザーシステムをエンターテイメント環境に設置するときに経験する一般的な問題は、ビームが観客に到達するまでの伝播距離が数十メートルになることが多いことです。このような距離を超えると、構造物、レーザープロジェクター、またはその外部光学部品が固定されている振動によって引き起こされるわずかなビームの動きなど、ビームの不安定性が増幅され、標準的なシリコンディテクターでは困難が生じます。

会場内に存在する高い音圧レベルによりビームが急速に振動すると、ビームプロファイルが効果的に測定できなくなります。このような状況では、BC20のピークホールドディテクターを使用すると、そのようなビームプロファイルによく存在する移動ホットスポットを識別することがはるかに簡単になります。さらに、BC20は、ほとんどの一般的なレーザー効果制御システムの出力で明らかなもう1つの一般的な問題、つまり、単一ビームを出力するよう命令されても出力が真のCWではないという問題を克服します。 その代わり、制御ソフトウェアの制約により、ビームには奇妙なデューティーサイクルが発生し、これがやはり従来のシリコンディテクターにおける測定誤差の原因となります。このような状況でも、BC20はレーザーのオフ時間を事実上無視し、ピークパワーの読み取り値をユーザーに提示することができます。

BC20は元々、バーコードスキャン製品の赤色レーザー放射を測定することを念頭に設計されており、Ophir PD300センサーと同様に、ディテクターにはOphirの特許取得済みの自動バックグラウンド減算システムがセンサーの前面に組み込まれています。この機能は、測定された発光から背景光を除去することを目的としており、光源にかなり近い小径ビームの測定に役立ちます。ただし、ライトショーの用途では、測定されるビームははるかに大きく、露光限界値よりも低い放射照度を有する直径はおそらく100mm以上になります。このタイプのビーム測定では、インストール中にバックグラウンド減算機能を無効にすることをお勧めします。

BC20上のOphirのPD300-CDRHアダプターは、二次バックグラウンドディテクターを覆う効果があり、一次ディテクターの前面に7mmの開口部を導入します。PD300-CDRHアダプターを取り付けると、大口径ビームが自動背景光減算システムと干渉するのを防ぎます。ただし、これは、測定前にメーターのゼロ調整キーを押し、他の照明源に注意して手動で背景光の減算を実行する必要があることを意味します。

適切な最大許容露光 (露光制限とも呼ばれます) の値は、照明効果によって人々がさらされる可能性がある放射の種類によって決定される必要があります。実際には、これは直接露光を引き起こす1回以上の短時間のレーザー光からなる場合があります。パフォーマンスにおけるすべての線量の合計持続時間が10秒以上になる可能性があると仮定した場合、10W.m-2 (1mW.cm-2) という小さな光源の眼球限界が適切である可能性があります。この制限は、PD300-CDRHアダプターの7mm開口部でのパワー読み取り値として考慮すると、400µWに相当します。同様に、すべての線量の合計露光時間が0.25秒未満であると判断できた場合、25.4W.m-2 (2.5mW.cm-2) という小さな光源の接眼限界が適切です。これは、7mm の開口部を通した1mWのパワー読み取り値に相当します。

ライトショーのオペレーターにとって、提案されている値は制限的であるように見えるかもしれません。ただし、メーターの読み取り値はPD300-CDRHアパーチャーを通してのみアクセスできる一方、拡張されたビーム全体にはより多くのパワーが存在するため、1mWのタイトなビームよりもはるかに明るく見えることを覚えておく必要があります。

ほとんどのシリコンフォトダイオードベースのディテクターに共通していることですが、フォトダイオード技術の関連する変換効率の結果として、レーザー放射の異なる波長に対する応答は可視スペクトル全体で異なります。これには、メーターが正しい波長を測定するように設定されているか、メーターに事前にプログラムされた組み込み校正係数がない波長については、メーターの読み取り値を手動で調整して実際の露光レベルを決定する必要があります。図2はBC20の相対感度を示し、表1は可視スペクトル全体の波長に使用される補正係数の範囲を示しています。

注：メーターを635nmに設定した場合、真のパワーを得るには、得られた読み取り値にレーザー発光波長に最も近い補正係数を掛ける必要があります。

460nm青色レーザー、635nm設定で5.0mWを読み取る真の出力 = 5.0mW x 0.34 = 1.7mW。BC20のピークホールドディテクターはアナログ設計で実装されています。これにより、他の機器でこの種の露光を測定しようとするときに発生すると指摘されている、デジタル化方法を使用するシステムで明らかになる可能性があるナイキスト誤差などの問題が除去されます。

BC20およびPD300-CDRHとOphirメーターを組み合わせると、少し注意すれば簡単に使用できる計器が得られ、エンターテインメント用途で一般的に経験されるさまざまな困難な露光条件をより適切に評価できるようになります。これらの測定の中には、標準的なシリコンフォトダイオードディテクターシステムでは事実上実行できないものもあります。さらに、このシステムは、ライブレーザー効果からの実際の放射を測定する手段を提供します。これにより、オペレーターと会場の安全管理は、さまざまな予見可能な理由により公演時に変化する可能性があるショー前のチェックだけに頼る必要がなくなり、リアルタイムで排出物をモニターできるようになります。これは、会場の従業員と客の安全を確保するのに役立ち、最近ヨーロッパで導入された職場レーザー露光規制への準拠を評価するツールを雇用主に提供するレーザー測定システムです。

James Stewartは英国を拠点とする健康と安全の専門家であり、光学的放射線の危険性評価に強い専門知識を持っています。レーザー安全管理における彼のスキルは、英国の主要なエンターテイメント会場の多くで定期的に採用されており、Jamesは、この分野に特有のレーザー安全管理の問題について、会場運営者やプロダクションに対して同様にアドバイスを行っています。エンターテインメント用途以外にも、Jamesは幅広い業界で働いており、レーザーの安全性とブロードバンド光放射の安全性管理の両方についてアドバイス、評価、トレーニングを行っているほか、安全な製品の設計と分類を支援しています。