ミリ波ボディ・スキャナ市場：過去、現在、未来

全身スキャナは、今や世界中でセキュリティ対策および脅威検出用ツールキットの重要な要素となっています。RF、マイクロ波、ミリ波の各技術の進歩に伴い、この技術を利用した全身スキャナの普及が進んでいます。全身スキャナ・ソリューションが全面的に受け入れられる決め手は、主にその性能、設計、製品化の可能性にあります。本稿では、適切な設計技術とパートナーシップを選択することで、全身スキャナのシステム・インテグレータがより自信を持って、この急成長を続ける市場で製品化可能なソリューションを提供できることを示します。

自動化ボディ・スキャン・システムが導入されるまで、人に対する検査は、人手によるボディ・チェックが中心でした。もちろん、ご想像のとおり、そのような検査には時間がかかり、個人のプライバシーを侵害しながら、必ずしも最も正確に脅威を検知できるとは限りませんでした。脅威が巧妙になり、技術がこれに追いついたことから、人手によるボディ・チェックは金属探知機に取って代わられました。金属探知機により人が自動的に流れるようになり、立ち止まることなくセキュリティ・ゲートをくぐることが可能となりました。人が所持する金属物が検知された場合のみ通行が停止され、人手によるボディ・チェックが行われます。ここでは、すべてではないにしろ、ほとんどの脅威は金属でできているという前提がありました。当時、この前提と金属探知機の期待される分解能レベルは問題なく機能していました。これらの固定型金属探知機は、小型のハンドヘルド金属探知機で更に機能が補充され、係官はこれを使って人体に直接触れることなく、より入念なスキャンが可能でした。

しかし結局は、検知されにくい、様々な隠蔽物の出現により、従来型の金属探知機では不十分となりました。現在では3Dプリンティングなどの技術が登場し、非金属材料で凶器を作製できるようになったことから、金属探知機はもはや最良の検出方法ではなくなってきています。このことから、各機関はより正確なスキャン方法を必要としています。

X線技術が選択されたのはそのためです。X線スキャナは高速で、生体を透過できるので、身体と隠蔽物の画像を極めて高い分解能で表示できます。この技術のマイナス面はスキャン対象者が高強度の放射線に曝されることで、その結果、健康と個人のプライバシーに関して社会的関心が巻き起こりました。X線は、本質的に透過特性があるため、他人には知られたくない情報が明らかになることから、大きな怒りを呼ぶ結果となりました。これらの装置の初期のタイプでは、検査官が画像を目視して隠蔽物を探す必要があったため、個人のプライバシー侵害が大きな盲点となっていました。更に、これらの装置は有効放射線を利用するため、X線装置メーカーの主張にも関わらず、多くの人が長期的に健康被害を受けるのではという懸念を抱いています。

このような結果を受けて、X線装置は改良され、対象物を透過するのではなく対象物の表面で反射する、X線後方散乱ソリューションとなりました。この技術の場合、健康とプライバシーに関する懸念は同様に残るものの、健康面では比較的安全であることから、今日、後方散乱技術は世界各国で多用されています。

その間、RF、マイクロ波、ミリ波技術が進歩を遂げました。スキャナ・メーカーでは現在この技術を利用して、高速で、個人のプライバシーを侵害することなく高分解能のスキャンを実行し、放射線を一切使用しないスキャナを開発しようとしています。これらのスキャナは通常、10GHz～40GHzの範囲で動作しますが、場合によっては、60GHz～80GHzもの高周波数範囲でも動作します。RF技術とマイクロ波技術が一般的になるにつれ、これらのスキャナの低価格化と小型化が進み、様々な市場に幅広く浸透しつつあります。一般にこれらのスキャナの安全性と信頼性は高く、これまでの手法に比べてプライバシーにも配慮しています。現在および将来のボディ・スキャナにとって、ミリ波スキャンが次第に最適な技術となりつつあります。

ミリ波ボディ・スキャナ市場の概要

ミリ波ボディ・スキャンは、セキュリティと脅威検知だけでなく、他の商用アプリケーションに対しても大きな市場機会を提供します。2015年発行のGlobal Industry Analyst, Inc.の報告書によれば、全身スキャナ市場は、2021年までにCAGR（年平均成長率）41.5%で17億ドルに成長する見込みです。MarketsandMarketsによる別の報告書によれば、空港のボディ・スキャン市場だけで、2021年までにCAGR 8.4%で1.18億ドルに達する見込みです。これには、空港以外の市場と商業市場が大きく成長する可能性は考慮されていません。

ミリ波技術は、商業セクタなどの産業分野でも同様に利用されており、ショッピング・モール、コンサート・ホール、スタジアムなどでのセキュリティには、より低コストのスキャナが使用されています。同様に、コンスーマ市場においても、これと同じ技術を小売店舗で用いれば、従来の試着室をボディ・スキャンをしながら試着ができるシステムに置き換えることができます。ヘルスケア産業でも、様々な施術に、旧式の有効放射線による全身スキャン手法を使用するの代わりに、ミリ波を利用することを検討しています。

X線、後方散乱、金属探知機技術からミリ波ボディ・スキャナへの世界的な移行によって、この市場には大きなビジネス・チャンスが広がっています。市場シェアを維持するため、この分野の業界リーダーは、単にボディ・スキャナを作るだけでなく、それらを最適化して画像解像度の向上と高速化を図ると共に、立ち止まらずに歩きながらスキャンできるような機能改良を進める必要があります。

全体として、全身スキャン・システム向けミリ波技術の将来性は、官公庁、商業、コンスーマの各領域にわたって有望です。アナログ・デバイセズは、マイクロ波やミリ波のソリューションを用いて次世代ボディ・スキャナの開発を行う新興企業数社と、既に商談を進めています。

受信側では、複数の受信エレメントが同時にアクティブになります。受信エレメントは、対象物からの反射信号を探します。このエレメントは、複数のチャンネルを使用して反射受信信号を取得し、それを各チャンネルのロー・ノイズ・アンプ（LNA）に伝送し、ノイズを加えることなく信号を増幅します。複数のチャンネルからの増幅信号は、次に送信側と同様に、スイッチ・マトリックスを使用して統合されます。ゲイン調整にはデジタル・アッテネータが使用され、SOIプロセスのADRF5730が高速スイッチングのセトリング条件を満たします。その後受信信号はダウンコンバートされ、更に増幅段に送られます。これまで、システム・インテグレータは、スーパーヘテロダイン・アーキテクチャを用い、複数段で高周波信号をIFにダウンコンバートしていました。しかし、HMC8192（20GHz～42GHzのI/Qミキサー）などの広帯域ミキサーが入手可能となり、42GHzもの高周波をわずか1段で低周波IFにダウンコンバートできるようになりました。このミキシング段は、送信段を駆動するのと同じ周波数ソース・モジュールから駆動されます。次に、広帯域I/QミキサーのIFがシングルエンド入力差動出力アンプに供給され、更に高速ADCに送られます。この高速ADCで信号がデジタル化され、画像を検出するために様々なソフトウェア・アルゴリズムを実行するコンピュータに、デジタル入力が提供されます。

これまでの図で示したように、アナログ・デバイセズは、アンテナからビットおよびビットからアンテナまで、全機能を内蔵したミリ波ボディ・スキャナのシグナル・チェーン・ソリューションを提供することができます。RF、マイクロ波、ミリ波部品の幅広い製品群により、インテグレータは性能と価格の期待に応える適切な部品を確実に見つけることができます。アナログ・デバイセズは、ビットからアンテナまで全機能内蔵型のソリューションを提供できる、製品群、経験、技術サポートを備えた企業です。これによりメーカーは、部品ごとに選択、評価、価格交渉を行う必要がなく、多くの時間、コスト、労力を省くことができます。

RFサブセクションの観点では、ボディ・スキャナの精度（分解能）と速度は、主に次に示すいくつかの重要な要素に左右されます。

• 周波数範囲 は、スキャナの透過特性と使用可能な帯域幅を決定します。通常、高周波であることは、透過特性が向上し、使用可能な帯域幅が拡大することを意味します。帯域幅が拡大すると分解能が向上し、周波数チャンネルごとに対象物に関してより多くのデータを転送できます。高周波数システムでは波長が短いため、必要なアンテナも小型になります。そのため、チャンネル数の多いシステムでは、高周波数の小型アンテナが複数個用いられます。残念ながら、半導体設計やパッケージングが複雑になり、高周波設計の経験があるインテグレータが限られていることから、非常に高い周波数（>60GHz）を利用するボディ・スキャナは、大変高価または複雑になりがちで、量産向けアプリケーションには不向きです。そのため、今日のシステムの大多数は、一般に10GHz～40GHzの周波数を利用して設計されています。
• チャンネル数によって、対象物に関して複数の別々のソースから伝送される情報全体の量が決まります。チャンネル数が多いと、通常、対象物の分解能が向上し、アンテナの空間的なダイバーシティが改善します。チャンネル数を増加するには、ハードウェア構成をチャンネルごとに複製する必要がありますが、RFサブセクションのサイズとコストが著しく増加してしまう可能性があります。また、チャンネル数が増加すると、システムには複数の高速ADCが必要になるため、ミックスド・シグナル・ドメインのコストが更に増加することになります。
• シグナル・チェーンのダイナミック・レンジは、ボディ・スキャナ・システムの感度を左右します。ダイナミック・レンジが拡大するほど、隠れた小さな物体を検出するシステムの能力が向上します。システムのダイナミック・レンジを向上させるために、通常、インテグレータは直線性に優れノイズ指数の低い部品を選択します。

• 集積度の向上: 複数の機能を統合した1つの部品を使用することで、シグナル・チェーンの構築に必要な部品点数を大幅に削減できます。部品数が少なければ、アセンブルする部品数も少なくなり、手早いアセンブリ、小型のPCB、簡素な設計が実現します。長期的には、これによって構築コストが削減でき、そのスキャン・システムに対してより良い技術サポートを提供できるようになります。
• フル・パッケージ化部品: フル・パッケージ化部品を使用することで、高周波数でも、特別なアセンブリ手法を必要とせずにダイ部品を実装できます。これによって、ダイ部品向けチップ・アンド・ワイヤなどの高コストのアセンブリ技術が不要となり、より簡便なSMTパッケージのハンダ処理を使用することができます。今日、高周波部品をパッケージ化できる専門性を備えた半導体メーカーは、非常に限られています。アナログ・デバイセズは、最大86GHzの実証済みパッケージング・ソリューションを有する企業の1つです。インテグレータは、広範なSMTパッケージ製品を提供できる長期的な設計パートナーを慎重に選択する必要があります。
• サプライヤ配置の優先順位付け: システム・インテグレータは、全体的なソリューションを構築するための利用サプライヤ数を削減するよう努める必要があります。こうすることで、複数のプラットフォームに対して同じサプライヤを利用して、スケール・メリットを活用でき、交渉力を（買手として）強化できます。そのためには、適切なソリューションと将来の道筋を提供できる、適切なパートナーを選択する必要があります。
• 非コア作業のアウトソーシング: これまで説明してきたように、全身スキャナを開発するほとんどのシステム・インテグレータは、映像と検出のためのソフトウェア・アルゴリズムを中核的な専門技術としています。ソフトウェア・アルゴリズムによって、誤報率を低減すると同時に小さな物体を高い解像度で検出する能力が決まります。ほとんどの場合、半導体ハードウェア条件は、ソフトウェア条件に左右されます。そのため、各社のコア機能を最大化し、製品の市場投入期間を短縮するには、ハードウェアの開発を専門技術を有する企業にアウトソーシングすることを検討する必要があります。こうすることで、インテグレータはコア機能に注力でき、ハードウェアの専門家は最新技術を用いて最先端ハードウェア・プラットフォームを開発することができます。

ミリ波技術がシステムとソリューションに重点を置くようになるのに伴い、アナログ・デバイセズなどの半導体企業は、フル機能のシグナル・チェーン・ソリューションにおいて他にはない優位性を持っています。システム設計をアウトソーシングすることで、インテグレータはコア・コンピタンスに集中でき、また、非コアの機能を排除しコストを削減する一方、サプライヤを1社にしてスケール・メリットを得ることができます。

まとめると、マイクロ波およびミリ波の全身スキャナは、世界中のセキュリティ・システムや検出システムの重要な部品となりつつあります。先進技術を活用し、適切な設計を選択し、最善の戦略的パートナーシップを確立することで、システム・インテグレータは自社のソリューションを差別化できるようになります。

アナログ・デバイセズなどの半導体メーカーは、次世代のミリ波全身スキャナの実現に積極的に取り組んでおり、システム・インテグレータと連携して、より高精度、高速で、製品化可能な全身スキャン・システムの新しいエコシステムを開発できる機会を歓迎しています。