JP2016522542A - 適応されたスペクトル出力を有する光源 - Google Patents

Abstract

本発明による発光（例えばバイオマーカー）検出のための白色光スポットライトは、一次光を放出する少なくとも１つの固体発光要素と、独立した波長変換領域からなるアレイとして提供される、一次光の一部を二次光に変換する複数の波長変換材料とを含み、様々な領域は、異なる二次光発光帯／ピークを生成する変換材料を含み、各変換材料は、一次光を二次光に変換し、各変換材料は、少なくとも１つの発光帯／ピークを有する全発光スペクトルに貢献し、変換材料によって提供される全二次光発光は、スポットライトが発光を生成しない又は著しく減少された発光を生成する少なくとも１つの決められた狭波長範囲を除いた広帯域発光スペクトルを提供し、変換材料からの組み合わされた発光は、上記発光スペクトルを形成するように制御可能である。

Description

本発明は、望ましいスペクトル出力を提供するために波長変換材料を利用する固体発光装置、デバイス及び照明システムに関する。

蛍光バイオマーカー（生物学的マーカー）は、病原状態若しくは過程といった生物学的状態若しくは過程、又は、特定の細胞若しくは組織型を検出するために使用される蛍光分子である。蛍光バイオマーカーは、例えばがんといった病気を検出するために使用される。蛍光分子は、患者又は生体試料内に注入され、がん性部位において蓄積する。励起光で照射されると、蛍光分子は、所定波長の発光を生成する。したがって、がん性組織の位置が、蛍光信号の位置確認によって、特定される。しかし、蛍光信号は、特に、強い照明を必要とする手術環境では、検出することが難しい場合がある。

米国特許出願公開第２０１１／００８２３６９号は、低侵襲手術中に、医用画像を表示する装置について開示している。当該装置は、組織の白色光画像と、例えば蛍光又は発光バイオマーカーの注入によって撮像可能にされた組織の画質向上された画像との同時表示の臨床的有用性を向上させることを目的としている。当該装置は、組織の低彩度画像と、その低彩度画像と組み合わされた色増強画像とを表示するディスプレイデバイスを含む。低彩度画像と色増強画像との相対光度は、情報内容を向上させるように設定される。

しかし、とりわけ手術環境において、蛍光分子、特に蛍光バイオマーカーを検出する手段を改良することが当該技術分野において依然として必要である。

本発明は、この問題を解決し、また、蛍光分子の検出を容易にするように適応された発光スペクトルを有する光源、特にスポットライトを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、この目的及び他の目的は、白色光を生成するスポットライトによって達成される。当該スポットライトは、
一次光を放出する少なくとも１つの固体発光要素と、
独立した波長変換領域からなるアレイとして提供される、一次光の一部を二次光に変換する複数の波長変換材料とを含み、様々な波長変換領域は、異なる二次光発光帯又はピークを生成する波長変換材料を含み、各波長変換材料は、一次光を二次光波長範囲に変換し、波長変換材料によって提供される全二次光発光は、スポットライトが発光を生成しない又は著しく減少された発光を生成する少なくとも１つの決められた狭波長範囲を除いた広帯域発光スペクトルを提供し、波長変換材料によって変換された光の組み合わせられた発光は、少なくとも１つの決められた狭波長範囲において発光がない又は著しく減少された発光を有する発光スペクトルを形成するように制御可能である。

「スポットライト」とは、（一般照明用のランプ又は照明器具とは対照的に）決められた又は限られた領域を照射する比較的集束された光ビームを生成する人工光源を意味する。

本明細書において使用されるように、「波長帯」との用語は、電磁スペクトルのナノメートル（ｎｍ）で与えられる波長範囲を指す。「波長帯」と「波長範囲」とは、同じ意味で使用される。

本明細書において使用されるように、「発光帯」は、例えば発光要素又は発光材料によって放出される光の波長範囲又は波長帯を指す。発光帯は、通常、発光帯のどこかで最大である強度を有し、また、範囲の端点に向かって発光が減少する発光ピークを含む。本発明のコンテキストでは、「広帯域発光」は、通常、５０ｎｍよりも大きい半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する発光ピークを有する発光帯を指す。したがって、「広帯域発光スペクトル」は、そのような発光ピークを含む発光スペクトルを指す。

更に、「狭帯域発光」、「狭発光帯」は、５０ｎｍ以下の半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する発光ピークを有する発光帯を指す。

発光がない又は低い発光しかない波長帯のコンテキストにおける「狭波長範囲」は、通常、例えば５０ｎｍ以下である６０ｎｍ以下といった１００ｎｍ以下のスパンを有する波長範囲を指す。

本発明のコンテキストでは、固体発光要素によって放出される光は、「一次光」又は時に「励起光」と称され、通常、発光材料によって少なくとも部分的に変換されることを意図している。一次光は、例えば青色若しくは紫色光である可視光、又は、ＵＶ光である。

一次光の変換によって発光材料（波長変換材料）によって放出される光は、「二次光」又は「変換光」と称される。この光は、通常、可視光である。

本発明によるスポットライトは、検出されるべき蛍光又は発光信号を生成する物体の照射に特に適している。スポットライトの発光スペクトルは、任意の蛍光又は発光信号の検出を容易にするように適応される。スポットライトは、蛍光分子（マーカー）の発光に対応する波長帯に位置付けられるスペクトルの「穴」を除いて、フルスペクトルの白色光を放出する。ここでは、「対応する」とは、「穴」の波長帯と、蛍光信号の波長帯とが同じ若しくは実質的に同じであること、又は、少なくとも部分的に重なっていることを意味する。

スポットライトは、通常、好適には、ＣＩＥ色度図で表される黒体線上又はその付近の色点を有する白色光を生成するので、手術を含む多くの応用に対し高品質の一般照明を提供する。

スポットライトは、複数の波長変換材料を含み、それぞれ、一次光を二次光波長範囲に変換し、各波長変換材料は、少なくとも１つの発光帯又はピークを有する全発光スペクトルに貢献し、波長変換材料によって変換された光の組み合わせられた発光は、少なくとも１つの決められた狭波長範囲において発光がない又は著しく減少された発光を有する発光スペクトルを形成するように制御可能である。したがって、全発光スペクトルは、特定の蛍光又は発光信号の検出を容易にするように制御される。

具体的には、スポットライトは、独立した波長変換領域からなるアレイを含み、様々な波長変換領域は、異なる二次光発光帯又はピークを生成する波長変換材料を含む。このような波長変換領域は、例えば対応する励起ＬＥＤ要素を介して又はシールド部材を介して、独立して制御可能である。幾つかの実施形態では、スポットライトは更に、少なくとも１つの波長変換領域が、一次光を受け取ることをシールドするシールド部材を含む。シールド部材は、様々な波長変換領域をシールドするように制御可能である。これに代えて又は加えて、スポットライトは、複数の独立制御可能な固体光源（発光要素）を含み、各波長変換領域は、独立制御可能な固体光源のうちの１つによって放出された光を受け取る。少なくとも１つの波長変換材料は、１つ又は幾つかのタイプの量子ドットを含む。これに代えて又は加えて、少なくとも１つの波長変換材料は、１つ又は幾つかのタイプの有機波長変換材料を含む。量子ドット及び有機波長変換材料は共に、狭発光帯を生成し、他のタイプの量子ドット及び／又は有機波長変換材料と組み合わされてフルスペクトルの白色光を生成できるため、有利である。

本発明の実施形態では、スポットライトは更に、光センサと、当該光センサと、制御可能なシールド部材及び／又は独立制御可能な光源とに動作可能に接続される制御ユニットとを含み、制御ユニットは、スポットライトの発光スペクトルを制御する。したがって、スポットライトは、光センサによって検出される蛍光又は発光信号に応えて、放出される光の強度スペクトルを自動的に制御する。

本発明の第１の態様によるスポットライトは、例えば手術中に、又は、患者若しくは生体試料の検査中に、蛍光マーカーの検出が行われる医療又は研究室環境において特に有用である。

したがって、別の態様では、本発明は、本明細書において説明されるスポットライトを含むトーチを提供する。トーチライトは、ヘッドトーチであっても、手持ち式トーチであってもよい。

別の態様では、本発明は、本明細書において説明されるスポットライトを少なくとも１つ含む手術照明システムを提供する。

「手術光源」とは、例えば手術又は検診中の照明のために、手術又は病院環境において使用されることを意図しているスポットライトといった光源を意味する。「手術照明システム」とは、少なくとも１つの手術光源、接続器具及び例えば天井や壁に取り付けるための支持構造体、更に、リフレクタ、レンズ等の光学コンポーネントを任意選択的に含む照明装置を意味する。

更に別の態様では、本発明は、蛍光分子を含む物体を照射するための本明細書において説明されるスポットライトの使用法を提供する。幾つかの実施形態では、蛍光分子は、スポットライトが発光を生成しない又は低強度の発光を生成する波長範囲に対応する波長範囲における光を放出する。幾つかの実施形態では、スポットライトは、蛍光分子が吸収ピークを有する波長範囲における発光ピークを含む発光スペクトルを生成する。したがって、スポットライトからの発光は、蛍光分子による変換のための一次光を提供し、したがって、蛍光信号が増強される。

更なる態様では、本発明は、本明細書において説明されるスポットライトを使用して、蛍光分子を含む物体を照射するステップを含む、当該蛍光分子を検出する方法を提供する。本発明の実施形態では、蛍光分子は、バイオマーカーであり、照射される物体は、生体材料である。

最後に、更なる態様では、本発明は、発光装置と、光センサと、当該光センサと、制御可能なシールド部材及び／又は独立制御可能な光源とに動作可能に接続される制御ユニットとを含むスポットライトを操作する方法を提供する。当該方法は、
通常は、光センサを使用して、スポットライトによって照射される物体によって放出される光を検出するステップと、
照射される物体によって放出される波長範囲の光の発光を阻止する又は減少させるように、少なくとも１つの固体発光要素又はシールド部材の動作を制御するステップと、
スポットライトによって放出される光で、物体を照射するステップとを含む。

通常、少なくとも１つの固体発光要素の動作を制御するステップは、少なくとも部分的に制御ユニットによって行われる。

なお、本発明は、請求項に記載される特徴のあらゆる可能な組み合わせに関する。

本発明のこの及び他の態様は、本発明の実施形態を示す添付図面を参照して、より詳細に説明される。

図１ａは、本発明の実施形態による光源の例示的な発光強度スペクトルを示すグラフである。 図１ｂは、図１ａに示されるスペクトルを有する光源を用いて検出できる蛍光分子の発光スペクトルを示すグラフである。 図２は、本発明の実施形態による光源の別の例示的な発光スペクトルを示す。 図３は、本発明の実施形態に使用される発光装置の側面図である。 図４ａは、本発明の実施形態に使用される複数の発光要素及び波長変換材料と、結果として生じる発光スペクトルとを概略的に示す。 図４ｂは、本発明の別の実施形態に使用される複数の発光要素及び波長変換材料と、結果として生じる発光スペクトルとを概略的に示す。 図５ａは、本発明の実施形態に使用されるシールド部材を含む発光装置の側面図である。 図５ｂは、図５ａに示される発光装置の例示的な発光スペクトルを示すグラフである。 図６ａは、本発明の実施形態に使用される電気的に制御可能なシールド部材を含む発光装置の略側面図である。 図６ｂは、本発明の実施形態に使用される電気的に制御可能なシールド部材を含む発光装置の略側面図である。 図７ａは、波長固有フィルタ又は吸収材料を含む発光装置の側面図である。 図７ｂは、図７ａに示される発光装置の例示的な発光スペクトルを示すグラフである。 図８は、本発明の実施形態による、蛍光分子によって放出された光を検出する光センサと、制御ユニットと、発光装置とを含む光源のコンポーネントを概略的に示す。 図９は、本発明の実施形態による光源を操作する方法を表すブロック図である。 図１０は、本発明の実施形態によるスポットライトを含むヘッドトーチを着用している人を概略的に示す側面図である。 図１１は、本発明の実施形態による手術照明システムを示す斜視図である。

図面に示されるように、層及び領域のサイズは例示のために拡大されており、したがって、本発明の実施形態の全体構造を説明するために提供されている。同様の参照符号は、全体を通して、同様の要素を指している。

本発明は、本発明の現在好適である実施形態が示されている添付図面を参照して、以下により詳細に説明される。しかし、本発明は、多くの異なる形式で具現化されてもよく、本明細書に記載される実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、完璧さ及び完全さのために提供されたものであり、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるものである。

本発明の発明者は、手術中、蛍光バイオマーカーが注入された組織の検査の際に、手術用の光がマーカーの発光と重なり、バイオマーカーからの蛍光発光を識別することが困難となることを認識した。発明者は、蛍光マーカー分子の発光に対応する波長帯における発光強度スペクトルにおける「穴」又は「へこみ」を有する光源、典型的にはスポットライトを使用すると、マーカーの検出可能性を増加させる一方で、例えば外科手術の良好な可視性のために必要とされる白色光を依然として提供することを見出した。提案される光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）といった１つ以上の固体発光要素と、１つ以上の波長変換材料（蛍光体）とを、場合によっては、波長阻止又は吸収部材と組み合わせて使用することによって提供できる。更に、発明者は、マーカーの吸収に対応するスペクトルピークを生成する光源は、マーカーの検出可能性を更に高めることを見出した。

蛍光標識は、蛍光色素分子を、タンパク質又は核酸といったターゲット分子に共有結合させることを伴う。これは、通常、ターゲット分子の官能基に選択的に結合する蛍光色素分子の反応性誘導体を使用して実現される。ターゲット分子は、生体試料内又は患者の体内のターゲットの検出のためのプローブとして使用される。

反応性蛍光染料は、多くのソースから入手可能であり、ターゲット分子内の様々な官能基への結合のための様々な反応基を用いて得られる。一般的な反応基には、次のものが含まれる。
ＦＩＴＣ及びＴＲＩＴＣといったフルオレセイン及びローダミンの誘導体：関心の化合物と染料との間にチオウレイド結合を形成するように１級アミンに対して反応性である。
ＮＨＳフルオレセインといったスクシンイミジルエステル：アミド結合を形成するようにアミノ基に対して反応性である。
フルオレセイン‐５−マレイミドといったマレイミド活性化蛍光色素分子：スルフヒドリル基と容易に反応する。スルフヒドリル基は、マレイミドの二重結合を増加させる。

更に、量子ドットも、蛍光マーカーとして使用できる。本発明の実施形態では、任意の既知のタイプの蛍光マーカーを使用してよい。

図１ａは、本発明の実施形態による光源の例示的な発光強度スペクトルを示すグラフである。通常はスポットライトである光源は、スペクトルの「穴」１１を除く全スペクトル白色光１０を放出する。スペクトルの「穴」１１は、図１ｂに概略的に示される蛍光分子の発光１３に対応する波長範囲１２に位置付けられている。ここでは、「対応する」とは、「穴」１１の波長範囲１２と、発光１３の波長範囲とが同じ若しくは実質的に同じであること、又は、少なくとも部分的に重なっていることを意味する。

光源の発光スペクトルは、例えば、通常は少なくとも１つのＬＥＤ要素である青色又はＵＶ放射固体発光要素と、１つ以上の波長変換材料とを使用することによって得られる。図２は、少なくとも１つの青色ＬＥＤ要素と、例えば量子ドット及び／又は有機蛍光体である複数の波長変換材料とを使用する、本発明の実施形態による光源の別の例示的な発光スペクトルを示す。少なくとも１つのＬＥＤ要素は、青色発光２０を提供し、（ＬＥＤによって放出された青色光の一部を変換に使用する）波長変換材料は、二次発光ピーク２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ、２３ｇ、２３ｈを提供する。波長変換材料の隣接する発光帯は、部分的に重なってもよく、これにより、結果として生じるスペクトルは、単一の波長変換材料の発光帯よりも広い波長範囲に亘って連続的である。また、ＬＥＤ要素からの発光は、例えばピーク２３ａである二次発光の発光帯に部分的に重なってもよい。ＬＥＤ要素からの発光２０と組み合わされた波長変換材料からの発光２３は、可視波長範囲に広がり、したがって、白色光を提供し、この白色光は、発光がなく、したがって、発光スペクトルに「穴」２１を形成する所定の波長範囲２２を除いた白色光である。穴は、通常、光源を使用して検出されるべき蛍光分子の発光に対応する。

以下により詳細に説明される幾つかの実施形態では、検出されるべき蛍光マーカー分子の発光に対応する波長帯における発光の強度が低い場合がある。しかし、このような実施形態では、当該発光帯の発光強度は、光源によって放出される残りのスペクトルの平均強度よりもかなり低い（例えば１０％以下である３０％以下といった例えば５０％以下を表す強度ピークを有する）。

「穴」１１、１２を含む上記発光スペクトル１０、２３を実現する様々なやり方がある。

本発明の実施形態では、図２に示されるスペクトルと同様のスペクトルは、ここではＬＥＤ要素である少なくとも１つの固体発光要素と、複数の波長変換材料とを使用することによって得られる。図３は、本発明の実施形態に使用される発光装置１００を示し、少なくとも１つの反射側壁１０４（例えば円筒形側壁）と、光出射窓１０５とを含む反射性光混合チャンバ１０３の底部１０２に配置された複数のＬＥＤ要素１０１ａ〜ｅを含む。各ＬＥＤ要素１０１ａ〜ｅには、対応する波長変換材料１０６ａ〜ｅが提供され、ここでは、複数の蛍光体変換ＬＥＤを形成している。しかし、波長変換材料は、図３における場合のように、対応するＬＥＤ要素の上に直接に配置される必要がないが、ＬＥＤ要素に関連して、より離れた場所に提供されてもよいことも考えられる。各ＬＥＤ要素及びその対応する波長変換材料は、別個の反射性チャンバ、カップ、コンパートメント等に提供されて、隣接するＬＥＤ間のクロストークを減少させてもよい。幾つかの実施形態では、１つ以上のＬＥＤ要素が使用され、波長変換材料１０６ａ〜ｅは、特定のＬＥＤ要素によって放出された光が、２つ以上の波長変換材料によって受け取られるように、例えば光出射窓１０５内であるＬＥＤ要素から離れた場所に提供されてもよい。

ＬＥＤ要素は、例えば青色光又はＵＶ光を放出する。ＵＶ放出ＬＥＤ要素が使用される場合、ＵＶ光の一部を青色光に変換するために、青色波長変換材料が使用され、他の波長変換材料は、通常、ＵＶ光の対応する二次光波長範囲への変換に適応される。青色発光ＬＥＤ要素が使用される場合、青色波長変換材料は省略されてもよい。

各タイプの波長変換材料１０６ａ〜ｅは、通常、白色光として知覚される全出力スペクトルに貢献する別個の発光帯（通常、発光ピークを含む）を提供する。一例として、一実施形態では、青色ＬＥＤが、黄色波長変換材料、橙色波長変換材料、橙色‐赤色波長変換材料及びより暗い赤色波長変換材料と組み合わせて使用される。しかし、発光装置は、緑色波長変換材料を欠いている。したがって、スペクトルの緑色部分における発光が生成されないので、スペクトルに「穴」が形成される。

図３に示されるように、本発明の実施形態では、発光装置は、１つのＬＥＤが特定の波長変換材料に関連付けられ、当該特定の波長変換材料を励起する複数の蛍光体変換ＬＥＤを含む。このような実施形態では、波長変換材料１０６ａ〜ｅは共に可視スペクトル全体（場合により、ＬＥＤ要素の一次光によって提供される青色を除く）を表す。即ち、光源は、全発光スペクトルにおける「穴」を生成するために、特定の波長変換材料を欠いている必要がない。代わりに、図４ａに概略的に示されるように、検出されるべき蛍光分子の発光に対応する波長範囲の光を放出する波長変換材料１０６ｂに関連付けられているＬＥＤ要素１０１ｂが、単に消灯されてよい。或いは、図４ｂに概略的に示されるように、関連付けられる波長変換材料１０６ｄの発光が大幅に減少されて、全発光スペクトルにおける「へこみ」を形成するように、他の蛍光体変換ＬＥＤの発光に比べて低い強度の発光を生成するように、ＬＥＤ要素１０１ｄが制御されてもよい。

ＬＥＤ要素は、独立して制御可能である。

なお、スペクトルの「穴」又は「へこみ」は、任意の蛍光分子の発光に対応する任意の望ましい波長範囲を表す。

図５ａに示される本発明の別の実施形態では、発光装置５００は、図３を参照して上記された光混合チャンバと同様の光混合チャンバ内に配置された、通常、青色ＬＥＤ要素である複数のＬＥＤ要素５０１ａ〜ｅを含む。この実施形態では、ＬＥＤ要素からの光を受け取るために、光出射窓５０５に、複数の波長変換領域５０６ａ〜ｆが提供されており、各波長変換領域は、特定のタイプの波長変換材料を含んでいる。なお、波長変換材料及び／又は波長変換領域の数は、ＬＥＤ要素の数と同じである必要はない。実際に、複数のＬＥＤ要素５０１ａ〜ｅではなく、単一のＬＥＤ要素を使用することも可能である。

更に、シールド部材５０７が、ＬＥＤ要素５０１ａ〜ｅからの光の光出射窓への経路に設けられて、ＬＥＤ要素からの光が、ここでは波長変換領域５０６ｄである少なくとも１つの波長変換領域に到達しないようにされている。シールド部材５０７は、波長変換領域の寸法と同様又は同一の寸法を有する。図５ｂは、波長変換領域５０６ｄをシールドすることによって得られる例示的な発光スペクトルを示す。

図４ａ、図４ｂ及び図５ｂに示されるスペクトルを比較することによって分かるように、様々な手段によって、同様の又は同一の発光スペクトルが得られる。ここでは、特定のＬＥＤ要素を下方制御若しくは消灯するか、又は、特定の波長変換材料が一次光を受け取らないように部分的に若しくは完全にシールドすることによって得られる。

幾つかの実施形態では、シールド部材５０７は、ＬＥＤ要素と波長変換領域との間の平面内を様々な位置間で移動可能である。これにより、シールド部材は、波長変換領域５０５ａ〜ｆの何れか１つをシールドするように制御される。シールド部材は、例えば光源のユーザによって、機械的又は電気的に制御可能である。

一実施形態では、シールド効果の制御は、電気的手段によって実現される。例えばシールド部材は、複数の独立制御可能なシールド領域を含む電気的に制御可能な層を含む。各領域は、波長変換領域をシールドするように構成されている。電気的に制御可能な層は、例えばその光学特性（特に光透過性）が、電位の印加によって制御される電気光学デバイスを含む。図６ａ及び図６ｂは、このようなシールド部材６０７の、光源６０１と波長変換領域６０６ａ〜ｆとの間の光路に配置される複数の独立制御可能なシールド領域６０７ａ〜ｆを含む電気的に制御可能な層の形である一例を示す。各シールド領域６０７ａ〜ｆは、（矢印によって示される）光が、固体発光要素６０１から見た場合に、当該シールド領域の背後にある対応する波長変換領域によって受け取られる光透過状態（例えば図６ａの領域６０７ｂ〜ｆ並びに図６ｂの領域６０７ａ及び領域６０７ｃ〜ｆ）と、遮断領域が非透過性であることにより、対応する波長変換領域に光が到達しないようにする光阻止又は遮断状態（図６ａの領域６０７ａ及び図６ｂにおける領域６０７ｂ）との間で可逆に切り替え可能である。適切な電気的に制御可能なデバイスの例としては、ポリマー分散液晶（ＰＤＬＣ）デバイス又は液晶ゲルデバイスといった液晶デバイス、インプレインスイッチング電気泳動デバイス、エレクトロクロミックデバイス及びエレクトロウェッティングが挙げられる。

図７ａ及び図７ｂは、波長固有フィルタ又は吸収材料と組み合わされた１つ以上の波長変換材料を含む光源を示す。一実施形態では、発光装置７００は、図３を参照して説明されたチャンバと任意選択的に同様の反射性チャンバ７０３内に配置された１つ以上のＬＥＤ要素７０１と、ＬＥＤ要素７０１によって放出された光を受け取るように光出射窓７０５内に配置された少なくとも１つの波長変換材料７０６とを含む。波長変換材料７０６は、ＬＥＤ要素と波長変換材料との組み合わせ発光が白色に知覚されるように、広帯域の発光を提供する単一の波長変換材料であっても、又は、複数の様々な狭帯域発光波長変換材料からなって、共に広帯域発光を提供してもよい。

更に、波長変換材料７０６の光出力側（即ち、ＬＥＤ要素７０１ａ〜ｅからの光路において見た場合に、波長変換材料７０６の下流）に、波長固有フィルタ７０７が提供される。波長固有フィルタは、例えば緑色光といった発光が減少されること又はないことが望まれる波長範囲に対応する特定の波長範囲の光を吸収及び／又は反射する。その他の波長は、通常、透過される。図７ｂに、緑色光を表す発光帯における強度のへこみを有する例示的な結果として生じる発光スペクトルが示される。波長固有フィルタ７０７が、発光スペクトルに「穴」を生成するように、特定の波長範囲の透過を完全に阻止することも可能である。

本発明の実施形態では、光源の発光スペクトルは、蛍光分子が吸収ピークを有する波長範囲において強度ピークを含む。したがって、追加の励起光を供給することによって、光源は、光源によって照射されたマーカー分子からの蛍光信号を増強し、これは、マーカー分子の検出可能性を更に増加させる。強度ピークは、例えば追加の発光要素及び／若しくは関連の発光帯を供給する波長変換材料を使用することによって、又は、光源の他の発光要素に対して強度が増加された光を放出するように、関連の発光帯を供給する蛍光体変換発光要素を制御することによって、実現される。

本発明の実施形態では、光源によって放出される発光スペクトルは、検出されるべき蛍光分子に依存して、制御可能である。例えば発光スペクトルは、例えば幾つかの可能な所定の波長範囲のうちの１つであってよい所定の波長範囲である、望ましい位置にあるスペクトルの穴を有する光を生成するように、光源を手動で調節するように適応される。このような実施形態では、光源は、通常、光源のユーザによって操作可能である調節部材と、調節部材と例えば１つ以上のＬＥＤ要素及び／又はシールド部材である発光装置の関連の部品とを動作可能に接続する制御デバイスとを含む。

或いは、図８に示されるように、本発明の実施形態による光源８１０は、蛍光分子８０２を含む物体８０１からの蛍光信号Ｓに応えて、放出光Ｅの強度スペクトルを自動的に制御する。このような実施形態では、光源８１０は、図３乃至図７の何れか１つを参照して上記された通りの発光装置８００と、蛍光信号Ｓを検出する光センサ８２０と、光センサ８２０から蛍光信号に関する情報を受信する制御ユニット８３０とを含む。制御ユニットは、例えばＬＥＤ要素及び／又は遮断部材の動作を制御するように、発光装置８００の関連の部品に動作可能に接続され、これにより、検出された蛍光信号Ｓに対応する波長範囲における発光がない又は減少される出力発光スペクトルＥが生成される。

図９は、本発明の実施形態による例えばスポットライトである光源を操作する方法を概略的に説明するブロック図である。当該方法は、蛍光分子を含む物体によって放出された光を検出するステップ９１０を含む。物体は、光源によって照射されることを意図している。ステップ９１０は、上記された光センサによって、又は、ユーザによって、物体の目視検査によって実行される。ステップ９２０は、蛍光分子によって放出される波長範囲の光の発光を部分的に若しくは完全に阻止するか、又は、減少させるように、光源の少なくとも１つの固体発光要素の動作を制御すること及び／又はシールド部材の動作を制御することを含み、これにより、必要な位置に「穴」又は「へこみ」を有する適応された発光スペクトルが生成される。ステップ９３０は、当該適応された発光スペクトルを生成する光源を使用して、物体を照射することを含む。

本発明の実施形態では、波長変換材料は、１つ以上の無機蛍光体、１つ以上の有機蛍光体及び／又は量子ドットを含む。

無機波長変換材料の例としては、次に限定されないが、セリウム（Ｃｅ）ドープされたＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）又はＬｕＡＧ（Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）が挙げられる。ＣｅがドープされたＹＡＧは、黄色がかった光を放出する一方で、ＣｅがドープされたＬｕＡＧは、黄色‐緑色がかった光を放出する。赤色光を放出する他の無機蛍光体材料の例としては、次に限定されないが、ＥＣＡＳ（Ｃａ_１−ｘＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ_ｘ、ここで０＜ｘ＜１であり、好適には０＜ｘ＜０．２）及びＢＳＳＮ（Ｂａ_{２−ｘ−ｚ}Ｍ_ｘＳｉ_５−ｙＡｌ_ｙＮ_８−ｙＯ_ｙ：Ｅｕ_ｚ、ここでＭは、Ｓｒ又はＣａであり、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜４及び０．０００５＜ｚ＜０．０５、好適には０＜ｘ＜０．２）が挙げられる。１つ以上の無機材料が、唯一の波長変換材料として使用されても、１つ以上の有機蛍光体及び／又は量子ドットと組み合わされてもよい。

有機蛍光体は、望ましい波長分布の光を放出する特定の分子構造を選択することによって、可視波長範囲における発光スペクトルの帯域幅及び位置が、望み通りに容易にデザインできる点で有利である。有機蛍光体分子を様々な発光特徴と組み合わせることによって、望ましいスペクトルの「穴」を有する発光スペクトルが得られる。有機波長変換材料の無機蛍光体材料及び／又は量子ドットとの任意選択的な任意の適切な組み合わせを本発明に用いてよい。使用してもよい有機波長変換材料の例としては、例えばＢＡＳＦ社によってＬｕｍｏｇｅｎ（商標）の商標名で販売されている化合物であるペリレン誘導体に基づいた有機蛍光材料が挙げられる。適切な化合物の例としては、次に限定されないが、Ｌｕｍｏｇｅｎ（商標）Ｒｅｄ Ｆ３０５、Ｌｕｍｏｇｅｎ（商標）Ｏｒａｎｇｅ Ｆ２４０、Ｌｕｍｏｇｅｎ（商標）Ｙｅｌｌｏｗ Ｆ０８３及びＬｕｍｏｇｅｎ（商標）Ｆ１７０が挙げられる。

量子ドットは、通常、数ナノメートルの幅又は直径しかない半導体材料の小さい結晶である。入射光によって励起されると、量子ドットは、結晶のサイズ及び材料によって決定される色の光を放出する。したがって、特定の色の光が、ドットのサイズを適応させることによって生成される。可視範囲における発光を有する最も知られている量子ドットは、硫化カドミウム（ＣｄＳ）といったシェルを有するセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）及び硫化亜鉛（ＺｎＳ）に基づいている。リン化インジウム（ＩｎＰ）といったカドミウムフリー量子ドット、並びに、銅インジウム硫化物（ＣｕＩｎＳ_２）及び／又は銀インジウム硫化物（ＡｇＩｎＳ_２）を使用してもよい。量子ドットは、非常に狭い発光帯を示す。任意の特定のサイズの量子ドットは、通常、３０〜６０ｎｍの範囲内の半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する光分布（発光ピーク）を有する。更に、発光色は、量子ドットのサイズを適応させることによって、容易に調整される。当技術分野において知られている任意のタイプの量子ドットを本発明に使用してもよい。しかし、環境の安全性及び配慮の理由から、カドミウムフリー量子ドット又は少なくとも比較的低量のカドミウム含量を有する量子ドットを使用することが好適である。カドミウムベースの量子ドットは、一般に、カドミウムフリー量子ドットに比べて小さいＦＷＨＭを有する。

本発明の実施形態では、幾つかのタイプの量子ドットが、通常、組み合わせで使用され、任意選択的に、１つ以上の他の無機及び／又は有機蛍光体と組み合わせて使用される。或いは、１つのタイプの量子ドットが、１つ以上の無機及び／又は有機蛍光体と組み合わされて使用されてもよい。

例えば本発明の実施形態では、表１に記載される発光範囲を有する材料１〜１６から選択される、通常は、量子ドットである複数の波長変換材料が使用される。

任意選択的に、１６タイプすべての材料が一緒に使用される。しかし、１６タイプ未満の様々な材料を使用することも可能である。例えば本発明の実施形態では、表１に列挙される材料１〜１６から選択される少なくとも３つ、通常は、少なくとも５つの異なる波長変換材料が使用される。通常、好適には、ＣＩＥ色度図で表される黒体線上又はその付近の色点を有する白色光をもたらす全発光スペクトルを提供するのに十分な波長材料が使用される。

本発明の実施形態では、波長変換材料は、例えば図３に示されるように固体発光要素の上に直接に設けられて、例えば蛍光体変換ＬＥＤを形成する。或いは、波長変換材料は、固体発光要素から少し離れて提供されてもよく、これは、時に「近接モード」又は「近接配置」と呼ばれる。更に別の実施形態では、波長変換材料は、例えば図５ａ、図６ａ、図６ｂ及び図７ａの何れか１つに示されるように、固体発光要素から離れて位置付けられてもよい（「リモート蛍光体」又は「リモート配置」とも呼ばれる）。

図面を参照して説明された固体発光要素は、青色又はＵＶ ＬＥＤ要素によって表されているが、例えば他の色（例えば紫色）のＬＥＤ要素、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）及びレーザダイオードを含む他の固体発光要素が使用されてもよいことも考えられる。固体発光要素は、一般に、安価で、効率が高く、寿命が長い。

本明細書において説明される発光装置、光源、スポットライト等によって放出される光（全発光スペクトル）は、ＣＩＥ色度図で見た場合に、黒体線上の色点を有する白色光であることが好適である。更に、放出された光は、少なくとも８０の演色評価数（ＣＲＩ）を有する。

本発明によれば、上記された発光装置は、スポットライト、特に手術用光源として又は手術用光源内に使用されるスポットライトとして利用されることが有利である。図１０は、例えば外科医である人によって着用され、少なくとも１つの、本明細書において説明された発光装置を含むスポットライト９１を含むヘッドトーチ９０を示す。ヘッドトーチは、通常、頭部に着用されるように適応される調節可能な部材に取り付けられる少なくとも１つのスポットライトを含む。或いは、上記された発光装置は、手持ち式トーチに使用されてもよい。

図１１は、手術照明システム９００によって表される本発明の別の実施形態を示し、ここでは、手術照明システムに、従来通りに３×３で配置される複数のスポットライト９２を含む。照明システムは、通常、例えば図１０に示される手術室である部屋の天井、壁、又は、例えば調節可能な及び／若しくは伸展可能な支持アーム９３を使用して固定支持体に取り付けられる。

上記された発光装置、光源及びスポットライト等は、蛍光分子、特に上記されたように、発光装置、光源及びスポットライト等の発光スペクトルの「穴」又は「へこみ」に対応する発光ピークを有する蛍光分子を含む物体を照射するために使用されることが有利である。したがって、発光装置、光源及びスポットライト等は、本発明の実施形態による光源及びスポットライト等を使用して蛍光分子を含む物体を照射するステップを含む、蛍光分子を検出する方法に使用される。

実施形態では、蛍光分子は、バイオマーカーであってよく、バイオマーカーを含む物体は、生物材料であってよい。生物材料の例としては、生きた又は死んだ生命体から採られた生体試料といった生きた又は死んだ生物材料、即ち、細胞、組織、臓器や、検診、診断、治療及び／又は手術を受ける又は受けようとしている、例えば患者である人間及び動物の被検体が挙げられる。

当業者であれば、本発明は、上記された好適な実施形態に限定されないことは認識するであろう。それどころか、多くの修正態様及び変形態様が、添付の請求項の範囲内で可能である。例えば本明細書において説明される発光装置、光源、スポットライト等は、他の技術的（非医学）分野における研究及び／又は商業的応用、セキュリティ応用、装飾応用等における蛍光信号の検出又は増強といった、手術又は医用以外の環境及びコンテキストにおいて蛍光分子を検出するために使用されてもよい。

更に、開示された実施形態の他の変形態様は、図面、開示内容及び添付の請求項の検討から、請求項に係る発明を実施する当業者によって理解され、実施される。請求項において、「含む」との用語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、また、「ａ」又は「ａｎ」との不定冠詞も、複数形を排除するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されることだけで、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないことを示すものではない。

Claims (15)

1. 白色光を生成するスポットライトであって、
   一次光を放出する少なくとも１つの固体発光要素と、
   複数の独立した波長変換領域からなるアレイとして提供される、前記一次光の一部を二次光に変換する複数の波長変換材料と、
   を含み、
   様々な波長変換領域は、異なる二次光発光帯又はピークを生成する波長変換材料を含み、各波長変換材料は、前記一次光を二次光波長範囲に変換し、
   各波長変換材料は、少なくとも１つの発光帯又はピークを有する全発光スペクトルに貢献し、前記波長変換材料によって提供される全二次光発光は、前記スポットライトが発光を生成しない又は著しく減少された発光を生成する少なくとも１つの決められた狭波長範囲を除いた広帯域発光スペクトルを提供し、
   前記波長変換材料によって変換された光の組み合わせられた発光は、前記少なくとも１つの決められた狭波長範囲において発光がない又は著しく減少された発光を有する発光スペクトルを形成するように制御可能である、スポットライト。
2. 少なくとも１つの波長変換領域が、前記一次光を受け取ることをシールドするシールド部材を更に含む、請求項１に記載のスポットライト。
3. 複数の独立制御可能な固体光源を含み、各波長変換領域は、前記複数の独立制御可能な固体光源のうちの１つによって放出された光を受け取る、請求項１に記載のスポットライト。
4. 少なくとも１つの波長変換材料は、１つ又は幾つかのタイプの量子ドットを含む、請求項１に記載のスポットライト。
5. 少なくとも１つの波長変換材料は、１つ又は幾つかのタイプの有機波長変換材料を含む、請求項１に記載のスポットライト。
6. 光センサと、前記制御可能なシールド部材及び／又は前記複数の独立制御可能な固体光源並びに前記光センサに動作可能に接続される制御ユニットと、を更に含み、前記制御ユニットは、前記スポットライトの前記発光スペクトルを制御する、請求項２又は３に記載のスポットライト。
7. 請求項１に記載のスポットライトを含む、ヘッドトーチ。
8. 請求項１に記載のスポットライトを含む、手持ち式トーチ。
9. 請求項１に記載のスポットライトを少なくとも１つ含む、手術照明システム。
10. 蛍光分子を含む物体を照射するための請求項１に記載のスポットライトの使用。
11. 前記蛍光分子は、前記スポットライトが発光を生成しない又は低強度の発光を生成する波長範囲に対応する波長範囲における光を放出する、請求項１０に記載の使用。
12. 前記スポットライトは、前記蛍光分子が吸収ピークを有する波長範囲における発光ピークを含む発光スペクトルを生成する、請求項１０に記載の使用。
13. 請求項１に記載のスポットライトを使用して、蛍光分子を含む物体を照射するステップを含む、蛍光分子を検出する方法。
14. 前記蛍光分子は、バイオマーカーであり、照射される前記物体は、生体材料である、請求項１３に記載の方法。
15. 請求項６に記載のスポットライトを操作する方法であって、
    前記スポットライトによって照射される物体によって放出される光を検出するステップと、
    照射される前記物体によって放出される波長範囲の光の発光を阻止する又は減少させるように、少なくとも１つの固体発光要素又はシールド部材の動作を制御するステップと、
    前記スポットライトによって放出される光で、前記物体を照射するステップと、
    を含む、方法。