具有面向後瞳孔直徑傳感器的電子式眼科透鏡的製作方法

2023-05-15 06:02:01

具有面向後瞳孔直徑傳感器的電子式眼科透鏡的製作方法
【專利摘要】本文公開了一種用於包括電子系統的眼科透鏡的面向後瞳孔直徑感測系統。所述面向後瞳孔直徑感測系統是被結合到所述眼科透鏡中的電子系統的一部分。所述電子系統包括一個或多個電池或其他電源、電力管理電路、一個或多個傳感器、時鐘產生電路、控制算法和電路、以及透鏡驅動器電路。所述面向後瞳孔直徑感測系統用於確定瞳孔位置並使用該信息來控制所述眼科透鏡的各個方面。
【專利說明】具有面向後瞳孔直徑傳感器的電子式眼科透鏡
【背景技術】
[0001]1.摶術領域
[0002]本發明涉及一種具有用於檢測和/或感測瞳孔直徑的傳感器以及相關聯的硬體和軟體的動力式或電子式眼科透鏡，並且更具體地涉及用於檢測瞳孔直徑的變化以及使電子式眼科透鏡狀態變化的傳感器以及相關聯的硬體和軟體。
[0003]2.相關領域描述
[0004]隨著電子裝置持續小型化，變得越來越有可能產生用於多種用途的可佩戴的或可嵌入的微電子裝置。此類用途可包括監視身體化學性質的各方面、響應於測量或者響應於外部控制信號經由各種機構(包括自動地)施用受控劑量的藥物或治療劑、以及增強器官或組織的性能。此類裝置的例子包括葡萄糖輸注泵、起搏器、去纖顫器、心室輔助裝置和神經刺激器。一種新型尤其有用於應用領域的是眼科可佩戴透鏡和接觸透鏡。例如，可佩戴透鏡可結合透鏡組件，該透鏡組件具有電子可調節焦點，以增強或提高眼睛的性能。在另一個例子中，無論具有還是不具有可調式焦距，可佩戴的接觸透鏡都可包含電子傳感器，以檢測角膜前(淚)膜中特定化學物質的濃度。在透鏡組件中使用嵌入式電子器件引起對如下的潛在需求:需要與電子器件通信，需要一種對這些電子器件供電和/或重新供能的方法，需要將電子器件互連，需要內部和外部傳感和/或監視，以及需要控制電子器件和透鏡的總體功能。
[0005]人眼睛具有辨別上百萬種顏色的能力、易於調節以改變光照條件的能力、以及以超過高速網際網路連接的速率將信號或信息傳輸到大腦的能力。當前，透鏡諸如接觸透鏡和眼內透鏡被用來矯正視力缺陷，諸如近視(近視眼)、遠視(遠視眼)、老花眼和散光。然而，結合附加組件的適當設計的透鏡可用來提高視力以及矯正視力缺陷。
[0006]接觸透鏡可用於矯正近視、遠視、散光以及其他視覺靈敏度缺陷。接觸透鏡也可用於增強佩戴者的眼睛的自然外觀。接觸透鏡或「觸體」只是放置在眼睛的前表面上的透鏡。接觸透鏡被視為醫療裝置並且可被佩戴，以矯正視力和/或用於美容或其他治療原因。自20世紀50年代起，市場上就可購買到改善視力的接觸透鏡。早期的接觸透鏡由硬性材料構成或加工成形，相對較為昂貴並且脆弱。此外，這些早期的接觸透鏡由如下材料製成，所述材料不允許足夠的氧氣透過接觸透鏡傳輸到結膜和角膜，這可潛在地引起許多不良臨床效應。儘管仍使用這些接觸透鏡，但它們因其不良的初始舒適度而並不適用於所有患者。該領域的後續發展產生了基於水凝膠的軟性接觸透鏡，所述軟性接觸透鏡在當今極為流行且被廣泛應用。具體地，當今可用的有機矽水凝膠接觸透鏡將具有極高透氧度的有機矽的有益效果與水凝膠的經證實的舒適度和臨床性能結合在一起。本質上，與由早期硬性材料製得的接觸透鏡相比，這些基於有機矽水凝膠的接觸透鏡具有更高的透氧度並且通常具有更高的佩戴舒適度。
[0007]常規的接觸鏡片為具有特定形狀的聚合物結構，以如上所簡述的矯正各種視力問題。為了獲得增強的功能，必須將各種電路和組件集成到這些聚合物結構中。例如，控制電路、微處理器、通信裝置、電源、傳感器、致動器、發光二極體和微型天線可經由定製內置的光電組件被集成到接觸透鏡中，以不僅矯正視力，而且增強視力，以及提供如本文所解釋的附加的功能。電子式和/或動力式接觸透鏡可被設計成經由放大和縮小能力或者僅只是通過改變透鏡的屈光力來提供提高的視力。電子式和/或動力式接觸透鏡可被設計成增強顏色和解析度、顯示紋理信息、將語音實時轉變為字幕、提供導航系統的視覺提示、以及提供圖像處理和網際網路接入。透鏡可被設計成允許佩戴者在低光照條件下視物。在透鏡上適當設計的電子器件和/或電子器件布置可允許例如在沒有可變焦光學透鏡的情況下將圖像投射到視網膜上，提供新型圖像顯示裝置，並且甚至提供喚醒警示。作為另一種選擇或者除了這些功能或類似功能中任一種之外，接觸透鏡可結合有用於非入侵性監視佩戴者的生物標記物的組件和健康指示器。例如，通過分析淚液膜的成分，內置於透鏡中的傳感器可允許糖尿病患者監視血糖水平，而不需要抽血。此外，適當配置的透鏡可結合用於監視膽固醇、鈉和鉀水平的傳感器、以及其它生物標記物。這與無線數據發送器聯接可允許醫師幾乎立即得到患者的血液化學性質，而不需要患者浪費時間去實驗室並進行抽血。此外，可利用內置於透鏡中的傳感器來檢測入射於眼睛上的光，以補償環境光照條件或者用於確定眨眼模式。
[0008]裝置的適當組合可產生潛在的無限功能；然而，存在與將額外組件結合到光度聚合物部件上相關聯的多種困難。通常，由於多種原因難以在透鏡上直接製造此類組件，並且難以將平面裝置安裝和互連在非平面表面上。還難以按比例製造。待放置在透鏡上或透鏡中的組件需要小型化且集成到僅1.5平方釐米的透明聚合物上，同時保護這些組件不受眼睛上液體環境的影響。由於附加組件的增加的厚度還難以製造對於佩戴者而言舒適且安全的接觸透鏡。
[0009]考慮到諸如接觸透鏡的眼科裝置的面積和體積限制以及其使用環境，裝置的物理實現必須克服多個問題，包括將多個電子組件安裝和互連在非平面表面上，這些電子組件的大多數包括光學塑料。因此，需要提供機械穩固和電穩固的電子式接觸透鏡。
[0010]由於這些是動力式透鏡，因而考慮到在眼科透鏡規模上的電池技術，用於驅動電子器件的能量或更具體地電流消耗是一個關切的問題。除正常的電流消耗外，該性質的動力式裝置或系統一般需要待機電流儲備，需要具有精確的電壓控制和切換能力以確保在潛在的許多種操作參數條件下操作，並且需要在可能保持閒置多年之後進行突然的電流消耗(例如在單次充電後至多十八(18)個小時的消耗)。因此，需要一種在提供所需電力的同時在低成本、長期可靠的服務、安全以及尺寸方面最優化的系統。
[0011]此外，由於與動力式透鏡相關聯的功能複雜度以及構成動力式透鏡的所有組件之間的高水平的相互作用，需要協調和控制構成動力式眼科透鏡的電子器件和光學器件的總體操作。因此，需要一種用於控制所有其他組件的操作的系統，所述系統安全、低成本且可靠，具有低的能量消耗速率並且尺寸可被縮小成能結合到眼科透鏡中。
[0012]動力式或電子式眼科透鏡可能必須考慮到利用所述動力式或電子式眼科透鏡的個體的某些獨特生理機能。更具體地，動力式透鏡可能必須考慮到眨眼，包括在給定時間周期中的眨眼次數、眨眼的持續時間、眨眼之間的時間以及任何數目的可能的眨眼模式，例如，如果個體正在打瞌睡。眨眼檢測也可被用於提供某些功能，例如可利用眨眼作為控制動力式眼科透鏡的一個或多個方面的方法。另外，在確定眨眼時，必須考慮到外部因素，例如光強度水平的變化、以及人的眼瞼所阻擋的可見光的量。例如，如果房間中的照明水平介於五十四(54)和一百六十一(161)勒之間，則光傳感器應足夠靈敏地檢測人眨眼時所發生的
光強度變化。
[0013]環境光傳感器或光傳感器被用於許多系統和產品中，例如用於電視中以根據房間光照來調節亮度、用於燈中以在黃昏時開啟、以及用於電話中以調節屏幕亮度。然而，這些當前使用的傳感器系統對於被結合到接觸透鏡中而言不夠小和/或不具有足夠低的能量消耗。
[0014]還重要的是應注意，可使用針對人眼睛的計算機視覺系統(例如被數位化至計算機中的照相機)來實現不同類型的眨眼檢測器。在計算機上運行的軟體可識別各種視覺模式，例如睜眼和閉眼。這些系統可被用於眼科臨床設置中以用於診斷目的和研究。不同於上述檢測器和系統，這些系統旨在於眼睛外使用並且是用於向眼睛看去而非從眼睛向外看。儘管這些系統並沒有小到足以結合到接觸透鏡中，但所利用的軟體可與結合動力式接觸透鏡工作的軟體相似。這兩種系統中的每一種均可包含人工神經網絡的軟體實現，所述人工神經網絡從輸入學習並相應地調節它們的輸出。作為另外一種選擇，可利用包含統計數據、其他自適應性算法、和/或信號處理的基於非生物的軟體實現來形成智能系統。
[0015]因此，需要一種用於檢測某些生理機能(例如眨眼)並根據傳感器所檢測到的眨眼序列的類型利用這些生理機能來激活和/或控制電子式或動力式眼科透鏡的裝置和方法。所用傳感器的尺寸和配置必須適合用於接觸透鏡中。
[0016]作為另外一種選擇，在某些情況下，代替眨眼或除了眨眼之外的瞳孔直徑可用於控制接觸透鏡的功能。瞳孔直徑是一個可測量的眼睛參數，可用於控制眼科裝置的變化。可通過(例如)面向眼睛的照相機測量瞳孔直徑。該照相機捕獲眼睛的圖像，通過圖像、模式或對比度識別確定瞳孔，並 計算瞳孔直徑。瞳孔直徑是擴張還是收縮，與入射於眼睛上的光水平有關(近距離聚焦和遠距離聚焦截然相反)，還與一些身體狀況有關。眼科裝置可根據瞳孔直徑改變透光率或焦距，或者觸發其他事件。作為另外一種選擇，感測數據可只是收集和用於監視身體狀況。
[0017]用於測量瞳孔直徑的現有方法和裝置不適用於接觸透鏡。例如，照相機和識別系統通常在臨床情況中或可能在眼鏡透鏡中找到。現有系統既不具有集成到接觸透鏡中所需的小尺寸，也不具有集成到接觸透鏡中所需的低電流。現有系統也不旨在根據瞳孔直徑的變化而改變眼科裝置的狀態。因此，需要一種用於檢測瞳孔直徑並使用該信息來控制電子式或動力式眼科透鏡的裝置和方法。

【發明內容】

[0018]根據本發明的具有面向後瞳孔擴張傳感器的電子式眼科透鏡克服了以上所簡述的與現有技術相關聯的局限性。
[0019]根據一個方面，本發明涉及一種動力式眼科透鏡。該動力式眼科透鏡包括接觸透鏡，所述接觸透鏡包括光學區和周邊區；以及瞳孔直徑傳感器系統、系統控制器、以及至少一個致動器，所述瞳孔直徑傳感器系統被結合到接觸透鏡中以用於測量瞳孔直徑，所述系統控制器與所述至少一個傳感器可操作地關聯並配置成用於確定所述瞳孔的所述直徑並根據瞳孔直徑輸出控制信號，所述至少一個制動器配置成接收所述輸出控制信號並實現預定的功能。[0020]本發明涉及一種包括電子系統的動力式接觸透鏡，所述電子系統執行任何數量的功能，包括致動可變焦光學器件(如果包括的話)。所述電子系統包括一個或多個電池或其他電源、電力管理電路、一個或多個傳感器、時鐘產生電路、控制算法和電路、以及透鏡驅動器電路。
[0021]對動力式眼科透鏡的控制可通過與透鏡無線通信的手動操作式外部裝置(例如手持式遙控單元)來實現。作為另外一種選擇，對動力式眼科透鏡的控制可通過直接來自於佩戴者的反饋信號或控制信號來實現。例如，內置於透鏡中的傳感器可檢測眨眼和/或眨眼模式。基於眨眼模式或眨眼序列，為了聚焦於近處物體或遠處物體上，動力式眼科透鏡可改變狀態，例如改變其屈光力。在另一個替代的示例性實施例中，可通過直接從佩戴者反饋或控制信號來完成對動力式眼科透鏡的控制；也就是說，通過檢測到的個體瞳孔大小的變化來完成。
[0022]本發明的瞳孔直徑傳感器具有適當的小尺寸和低電流消耗以集成到接觸透鏡中。在一個示例性實施例中，該傳感器由矽半導體工藝加工成形，厚度為約一百(100)微米或更小，並切割為約300X300微米或更小的管芯尺寸。在一個替代的示例性實施例中，該傳感器被加工成形為薄的柔性裝置，其符合接觸透鏡的球形形狀。在另一個示例性實施例中，該傳感器被加工成形為更小的傳感器的陣列，這些更小的傳感器放置在接觸透鏡上的不同位置以對虹膜上的不同點進行採樣。傳感器可通過檢測光反射、阻抗、電磁場、神經活動、肌肉活動和眼科領域已知的其他參數來確定瞳孔直徑及其變化。
[0023]瞳孔直徑傳感器被設計成消耗低電流，允許由小型電池和/或能量採集器在接觸透鏡中操作。在一個示例性實施例中，該傳感器以無偏或低偏光傳感器實現，從而檢測從虹膜反射的光。該例中的傳感器可採用低佔空比和低頻率進行採樣，使得總能量消耗最小化。在另一個示例性實施例 中，該傳感器以檢測橫跨穿過虹膜或處於虹膜上不同點處的阻抗實現。再次說明，該傳感器使用本領域常見的低電流技術實現，例如，高阻抗和低電壓。在另一個示例性實施例中，該傳感器被實現為(例如)通過感測控制虹膜孔徑的肌肉產生的電磁輻射來測量神經肌肉活動。
[0024]瞳孔直徑傳感器被設計成在根據瞳孔直徑的變化觸發電子式眼科裝置的系統中操作。在一個示例性實施例中，以適當速率對該傳感器進行採樣，該速率足夠快，以便舒適方便地檢測改變焦距的需要，但足夠慢，以便最小化由小型電池和/或能量收集器進行操作所需的電流消耗。該傳感器包括在一個系統中以將瞳孔直徑連同其他輸入(例如入射於眼睛上的環境光)一起考慮。在這種情況下，系統可檢測瞳孔直徑在不存在減弱的環境光時(與近距離聚焦的需要有關)的變化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]下文是附圖所示的本發明優選實施例的更為具體的說明，通過這些說明，本發明的上述及其他特徵和優點將顯而易見。
[0026]圖1示出根據本發明的一些實施例的包括眨眼檢測系統的示例性接觸透鏡。
[0027]圖2示出根據本發明的入射於眼睛表面上的光與時間的關係的圖示，其示出在各種光強度水平下所記錄的可能的無意的眨眼模式與時間的關係以及根據最大和最小光強度水平之間的某一點的可用閾值水平。[0028]圖3是根據本發明的眨眼檢測系統的示例性狀態轉換圖。
[0029]圖4是根據本發明的用於對所接收的光信號進行檢測和採樣的光檢測路徑的圖
/Jn ο
[0030]圖5是根據本發明的數字調節邏輯的方框圖。
[0031]圖6是根據本發明的數字檢測邏輯的方框圖。
[0032]圖7是根據本發明的示例性時序圖。
[0033]圖8是根據本發明的數字系統控制器的圖示。
[0034]圖9是根據本發明的用於自動增益控制的示例性時序圖。
[0035]圖10是根據本發明的示例性集成電路管芯上的光阻擋區域和光通過區域的圖
/Jn ο
[0036]圖11是根據本發明的用於動力式接觸透鏡的示例性電子插件(包括眨眼檢測器)的圖示。
[0037]圖12是定位在眼睛上的根據本發明的具有第一示例性瞳孔直徑傳感器的動力式眼科透鏡的圖示。
[0038]圖13是定位在眼睛上的根據本發明的具有第二示例性瞳孔直徑傳感器的動力式眼科透鏡的圖示。
[0039]圖14是根據本發明的用於檢測和利用瞳孔直徑的電子系統的方框圖。
[0040]圖15是根據本發明的環境光和瞳孔直徑與時間的關係的曲線圖。
【具體實施方式】
[0041]常規的接觸透鏡為具有特定形狀的聚合物結構，以如上所簡述的矯正各種視力問題。為了獲得增強的功能，可將各種電路和組件集成到這些聚合物結構中。例如，控制電路、微處理器、通信裝置、電源、傳感器、致動器、發光二極體和微型天線可經由定製內置的光電組件被集成到接觸透鏡中，以不僅矯正視力，而且提高視力，以及提供如本文所解釋的附加的功能。電子式和/或動力式接觸透鏡可被設計成經由放大和縮小能力或者僅只是通過改變透鏡的屈光力而提供提高的視力。電子式和/或動力式接觸透鏡可被設計成增強顏色和解析度、顯示紋理信息、將語音實時轉變為字幕、提供導航系統的視覺提示、以及提供圖像處理和網際網路接入。透鏡可被設計成允許佩戴者在低光照條件下視物。透鏡上適當設計的電子器件和/或電子器件布置可允許例如在沒有可變焦光學透鏡的情況下將圖像投射到視網膜上，提供新型圖像顯示裝置，並且甚至提供喚醒警示。作為另一種選擇或者除了這些功能或類似功能中任一種之外，接觸透鏡可結合有用於非入侵地監視佩戴者的生物標記物的組件和健康指示器。例如，通過分析淚液膜的成分，內置於透鏡中的傳感器可允許糖尿病患者監視血糖水平，而不需要抽血。此外，適當配置的透鏡可結合用於監視膽固醇、鈉和鉀水平的傳感器、以及其它生物標記物。這與無線數據發送器結合可允許醫師能夠幾乎立即得到患者的血液化學性質，而不需要患者浪費時間去實驗室進行抽血。此外，可利用內置於透鏡中的傳感器來檢測入射於眼睛上的光，以補償環境光照條件或者用於確定眨眼模式。
[0042]本發明的動力式或電子式接觸透鏡包括必要元件，以矯正和/或提高具有一種或多種上述視力缺陷的患者的視力，或者以其它方式執行有用的眼科功能。此外，電子式接觸透鏡可只是用來提高正常的視力，或者提供如上所述的種種功能。電子式接觸透鏡可包括可變焦光學透鏡，嵌入到接觸透鏡中的組裝前光學器件，或者僅只是嵌入任何合適功能的電子器件而沒有透鏡。本發明的電子透鏡可結合到任何數量的上述接觸透鏡中。此外，眼內透鏡也可結合本文所述的各種組件和功能。然而，為了容易解釋，本發明將集中於用於矯正視力缺陷的單次使用的日拋型電子式接觸透鏡。
[0043]本發明可用於包括電子系統的動力式眼科透鏡或動力式接觸透鏡，所述電子系統用於致動可變焦光學器件或任何其他配置成實現可被執行的任何數量的諸多功能的一種或多種裝置。所述電子系統包括一個或多個電池或其他電源、電力管理電路、一個或多個傳感器、時鐘產生電路、控制算法和電路、以及透鏡驅動器電路。這些組件的複雜度可根據透鏡所要求或所期望的功能而變化。
[0044]對電子式或動力式眼科透鏡的控制可通過與透鏡通信的手動操作式外部裝置(例如手持式遙控單元)來實現。例如，短表鏈可根據佩戴者的人工輸入來與動力式透鏡進行無線通信。作為另外一 種選擇，對動力式眼科透鏡的控制可通過直接來自於佩戴者的反饋信號或控制信號來實現。例如，內置於透鏡中的傳感器可檢測眨眼和/或眨眼模式。基於眨眼模式或眨眼序列，為了聚焦於近處物體或遠處物體上，動力式眼科透鏡可改變狀態，例如改變其屈光力。
[0045]作為另外一種選擇，動力式或電子式眼科透鏡中的眨眼檢測可用於其中在使用者與電子式接觸透鏡之間存在相互作用的各種其他用途，例如激活另一電子裝置或向另一電子裝置發送命令。例如，眼科透鏡中的眨眼檢測可與計算機上的照相機結合使用，其中照相機跟蹤眼睛在計算機屏幕上運動的位置，並且當使用者執行眨眼序列且該眨眼序列被眨眼檢測檢測到時，其引起滑鼠指針執行命令，例如雙擊某一項、高亮顯示某一項或選擇菜單項。
[0046]眨眼檢測算法是系統控制器的組件，用於檢測眨眼的特性，例如檢測眼瞼是張開的還是閉合的、眨眼的持續時間、眨眼之間的持續時間、以及在給定時間周期中的眨眼次數。根據本發明的算法是依賴於以某一採樣速率對入射於眼睛上的光採樣。存儲預確定的眨眼模式，並與入射光樣本的最近歷史進行比較。當模式匹配時，眨眼檢測算法可觸發系統控制器中的活動，例如以激活透鏡驅動器來改變透鏡的屈光力。
[0047]眨眼是指眼瞼的快速閉合和張開，並且是眼睛的基本功能。眨眼能保護眼睛免受異物損傷，例如當有物體意外地出現在眼睛附近時，個體便會眨眼。眨眼通過眼淚的展布而在眼睛的前表面上提供潤滑作用。眨眼還能從眼睛移除的汙染物和/或刺激物。正常情況下，眨眼是自動完成的，但外部刺激可能會導致眨眼，例如在有刺激物的情況下。然而，眨眼也可能是有目的的，例如對於不能通過語言或通過手勢進行交流的個體而言可通過眨眼一次來表示是、通過眨眼兩次來表示否。本發明的眨眼檢測算法和系統利用不與正常眨眼響應相混淆的眨眼模式。換句話講，如果要將眨眼作為用於控制行為的方法，則為給定行為所選擇的特定模式便不會無規地出現；否則，可能發生無意的動作。由於眨眼速度可受到若干因素(包括疲勞、眼睛受傷、用藥和疾病)的影響，用於控制目的的眨眼模式優選地考慮到這些因素以及任何其他影響眨眼的變量。無意眨眼的平均長度在約一百(100)至四百(400)毫秒的範圍內。一般的成年男人和女人以每分鐘十(10)次無意眨眼的速率眨眼，並且無意眨眼之間的平均時間是0.3秒至七十(70)秒。
[0048]可將眨眼檢測算法的示例性實施例歸納在以下步驟中:[0049]1.定義使用者將執行的有意的「眨眼序列」以用於積極的眨眼檢測。
[0050]2.以與所述眨眼序列的檢測一致的速率對入射光水平採樣並剔除無意的眨眼。[0051 ] 3.將採樣的光水平的歷史與預期的「眨眼序列」進行比較，所述「眨眼序列」通過數值的眨眼模板來定義。
[0052]4.任選地，實現眨眼「掩蔽」序列以指示在比較期間所要忽略的模板的部分，例如近處的轉變。這可允許使用者偏離所期望的「眨眼序列」，例如加一或減一(I)錯誤窗口，其中可能出現以下中的一者或多者:透鏡激活、控制以及焦距改變。另外，這可允許改變眨眼序列的使用者時序。
[0053]示例性的眨眼序列可定義如下:
[0054]1.眨眼(閉合)0.5s
[0055]2.睜開 0.5s
[0056]3.眨眼(閉合)0.5s
[0057]在一百(100)毫秒的採樣速率下，二十(20)個樣本的眨眼模板表示為:
[0058]blink_template = [I,I,I,O,O,O,O,O,I,I,I,I,I,O,O,O,O,O,I,I]。
[0059]眨眼遮罩被定義為將在躍遷之後立即出現的樣本遮去(O用於遮去或忽略樣本)，並且表示為: [0060]blink_mask = [1，1，1，0，1，1，1，1，0，1，1，1，1，0，1，1，1，1，0，I]。
[0061]任選地，可遮去更寬的躍遷區域以允許更大的時序不確定性，並且表示為:
[0062]blink_mask = [1，1，0，0，1，1，1，0，0，1，1，1，0，0，1，1，1，0，0，I]。
[0063]可實現替代的模式，例如單次長時間眨眼，在這種情況下是具有24個樣本的模板的1.5s眨眼，表示為:
[0064]blink_template = [I,I,I,I,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,I,I,I,I,I]。
[0065]重要的是應注意:上述例子只用於示例性目的，而並不代表具體的一組數據。
[0066]可通過將樣本歷史與模板和遮罩進行邏輯比較來實現檢測。邏輯運算是逐位地對模板和樣本歷史序列進行異或(XOR)運算，然後驗證所有未被遮罩的歷史位與模板相匹配。例如，如在以上眨眼遮罩樣本中所示，在眨眼遮罩的序列的值為邏輯I的每個位置上，眨眼必須與所述序列的該位置上的眨眼遮罩模板相匹配。然而，在眨眼遮罩的序列的值為邏輯O的每個位置上，不需要眨眼與所述序列的該位置上的眨眼遮罩模板相匹配。例如，可利用如在MATLABu衝編碼的以下布林(Boolean)算法方程。
[0067]matched = not(blink_mask) not(xor(blink_template, test_sample))，
[0068]其中test_sample是樣本歷史。匹配值是與眨眼模板、樣本歷史以及blink_mask具有相同長度的序列。如果匹配序列全部為邏輯1，則已出現了良好匹配。將其分解，not (xor (blink_template, test_sample))對每處失配均得出邏輯O,並且對每處匹配均得出邏輯I。與反相遮罩進行邏輯或運算迫使匹配序列中的每個位置在遮罩為邏輯O之處變成邏輯I。因此，在眨眼遮罩模板中，該處值被規定為邏輯O的越多，與人的眨眼相關聯的錯誤容限就越大。MATLABli^用於數值計算、可視化和編程的一種高級語言和實現，並且是位於美國麻薩諸塞州的Natick的MathWorks公司的產品。還重要的是應注意，眨眼遮罩模板中邏輯O的數目越大，則與預期的或希望的眨眼模式相匹配的誤報的可能性就越大。應當理解，可將各種預期的或希望的眨眼模式編程到每次具有一個多個動作的裝置中。更具體地，可將多個預期的或希望的眨眼模式用於同一目的或功能、或者用於實現不同的或替代的功能。例如，可利用一個眨眼模式使希望的物體上的透鏡拉近或拉遠，同時可利用另一眨眼模式使透鏡上的另一裝置(例如泵)遞送一劑治療劑。
[0069]圖1以方框圖形式示出根據本發明的示例性實施例的接觸透鏡100，所述接觸透鏡包括電子眨眼檢測器系統。在該示例性實施例中，電子眨眼檢測器系統可包括光傳感器102、放大器104、模數轉換器或ADC106、數位訊號處理器108、電源110、致動器112和系統控制器114。
[0070]當接觸透鏡100放置於使用者眼睛的前表面上時，可利用眨眼檢測器系統的電子電路來實現本發明的眨眼檢測算法。光傳感器102以及其他電路被配置成檢測眨眼和/或由使用者的眼睛作出的各種眨眼模式。
[0071]在該示例性實施例中，光傳感器102可被嵌入接觸透鏡100中並接收環境光101，由此將入射光子轉換成電子並從而產生電流(由箭頭103指示)，以流入放大器104中。光傳感器或光檢測器102可包括任何適合的裝置。在一個示例性實施例中，光傳感器102包括光二極體。在優選的示例性實施例中，光二極體在互補金屬氧化物半導體(CMOS加工技術)中實現，以增大集成能力並減小光傳感器102和其他電路的總體尺寸。電流103與入射光水平成比例，並在光檢測器102被眼瞼覆蓋時顯著減小。放大器104產生與輸入成比例的放大的輸出，並可用作將輸入電流轉換成輸出電壓的轉阻抗放大器。放大器104可將信號放大到可供系統的其餘部分使用的水平，例如使信號具有足夠的電壓和電力以被ADC106獲取。例如，放大器可能是驅動後續區塊所需的，因為光傳感器102的輸出可能相當小並且可能在低光照環境中使用。放大器104可以可變增益放大器實現，其增益可由系統控制器114以反饋布置方式調整，以使系統的動態範圍最大化。除提供增益外，放大器104還可包括其他模擬信號 調節電路，例如適合於光傳感器102和放大器104的輸出的濾波電路和其他電路。放大器104可包括任何適用於放大和調節由光傳感器102輸出的信號的裝置。例如，放大器104可只是包括單個運算放大器或者包括一個或多個運算放大器的更複雜的電路。如上所述，光傳感器102和放大器104被配置成根據通過眼睛所接收的入射光強度來檢測和分離眨眼序列，並將輸入電流轉換成最終可由系統控制器114使用的數位訊號。系統控制器114優選地被預編程或預配置成在各種光強度水平條件下識別各種眨眼序列和/或眨眼模式，並向致動器112提供適合的輸出信號。系統控制器114還包括相關聯的存儲器。
[0072]在該不例性實施例中,ADC106可用於將從放大器104輸出的連續的模擬信號轉換成適合於進一步信號處理的米樣的數位訊號。例如，ADC106可將從放大器104輸出的模擬信號轉換成可供後續或下遊電路(例如數位訊號處理系統或微處理器108)使用的數位訊號。數位訊號處理系統或數位訊號處理器108可用於包括以下中的一者或多者的數位訊號處理:濾波、處理、檢測、以及以其他方式操縱/處理採樣的數據，以允許入射光檢測以供下遊使用。數位訊號處理器108可預編程有上述眨眼序列和/或眨眼模式。數位訊號處理器108還包括相關聯的存儲器。數位訊號處理器108可利用模擬電路、數字電路、軟體、或其組合來實現。在示出的示例性實施例中，數位訊號處理器在數字電路中實現。ADC106連同相關聯的放大器104和數位訊號處理器108以與前述採樣速率一致的適合的速率激活，例如每一百(100)毫秒激活一次。[0073]電源110為構成眨眼檢測系統的諸多組件供電。電力可由電池、能量採集器、或本領域中普通技術人員所知的其他適合的方法提供。實質上，可利用任何類型的電源110來為系統的所有其他組件提供可靠的電力。可利用眨眼序列來改變系統和/或系統控制器的狀態。此外，系統控制器114可根據來自數位訊號處理器108的輸出來控制動力式接觸透鏡的其他方面，例如通過致動器112來改變電子控制式透鏡的焦距或屈光力。
[0074]系統控制器114使用來自光傳感器鏈(即光傳感器102、放大器104、ADC106和數位訊號處理系統108)的信號以將採樣的光水平與眨眼激活模式進行比較。參見圖2，其示出了在各種光強度水平下所記錄的眨眼模式樣本與時間和可用閾值水平的關係的圖示。因此，通過考慮到各種因素，可減少和/或防止在對入射於眼睛上的光採樣時的眨眼檢測錯誤，例如考慮到在不同位置和/或在執行各種活動時光強度水平的變化。另外，當對入射於眼睛上的光採樣時，通過考慮到環境光強度的變化可能對眼睛和眼瞼造成的影響，也可減少和/或防止眨眼檢測錯誤，例如在低強度光水平和高強度光水平下當眼瞼閉合時眼瞼阻擋多少可見光。換句話講，為防止利用錯誤的眨眼模式進行控制，優選地應考慮環境光的水平，這將在下文進行更詳細的解釋。
[0075]例如在研究中，已發現眼瞼平均阻擋約百分之九十九(99)的可見光，但在較短的波長處，透射過眼瞼的光趨于越少，從而阻擋約99.6%的可見光。在朝向光譜的紅外線部分的較長波長處，眼瞼可阻擋僅百分之三十(30)的入射光。然而，重要的是應注意，不同頻率、波長和強度的光可能以不同的效率透射過眼瞼。例如，當注視亮的光源時，個體可在他或她的眼瞼閉合時看到紅色光。基於個體(例如個體的皮膚色素沉著)，在眼瞼阻擋多少光上也可能存在變化。如圖2所示，在七十(70)秒的時間間歇中模擬眨眼模式在各種光照水平下的數據樣本，其中在模擬過程中記錄透射過眼睛的可見光強度水平，並示出可用的閾值。閾值被設定為處於在模擬過程中在不同的光強度水平下針對樣本眨眼模式所記錄的可見光強度的峰峰值之間的值。在跟蹤光水平隨時間的平均值並調節閾值的同時具有對眨眼模式進行預編程的能力對 於能夠檢測某個個體何時眨眼而言可能非常重要，這與個體不眨眼時和/或僅在某一區域中存在光強度水平變化時不同。
[0076]現在再次參見圖1，在其他替代的示例性實施例中，系統控制器114可從包括以下中的一者或多者的源接收輸入:眨眼檢測器、眼睛肌肉傳感器、以及短表鏈控制裝置。一般來講，對於本領域中的技術人員可能顯而易見的是，激活和/或控制系統控制器114的方法可能需要使用一種或多種激活方法。例如，電子式或動力式接觸透鏡可針對個體使用者編程，例如對透鏡編程以識別個體的眨眼模式和個體的睫狀肌兩者在執行各種動作時的睫狀肌信號，例如在聚焦於遠處物體或者聚焦於近處物體上時。在一些示例性實施例中，使用多於一種方法激活電子式接觸透鏡(例如眨眼檢測和睫狀肌信號檢測)可提供在激活接觸透鏡之前使每種方法相互交叉檢查的能力。交叉檢查的優點可包括消除誤報，例如使無意間觸發透鏡而激活的機率最小化。在一個示例性實施例中，交叉檢查可涉及投票方案，其中在進行任何動作之前滿足某一數量的條件。
[0077]致動器112可包括用於根據所接收的命令信號來實現特定動作的任何適合的裝置。例如，如果眨眼激活模式如上所述與採樣的光水平相比較是匹配的，則系統控制器114可使能致動器112，例如可變光學電子式或動力式透鏡。致動器112可包括電氣裝置、機械裝置、磁性裝置、或其任何組合。除從電源110接收電力外，致動器112還從系統控制器114接收信號，並根據來自系統控制器114的信號產生某一動作。例如，如果系統控制器114的信號表明佩戴者正在試圖聚焦於近處物體上，則可利用致動器112改變電子式眼科透鏡的屈光力，例如經由動態多液體光學區。在替代的示例性實施例中，系統控制器114可輸出指示應向眼睛遞送治療劑的信號。在該示例性實施例中，致動器112可包括泵和貯存器，例如微機電系統(MEMS)泵。如上所述，本發明的動力式透鏡可提供多種功能，因此，一個或多個致動器可被不同地配置成實現這些功能。
[0078]圖3示出了根據本發明的眨眼檢測算法的示例性眨眼檢測系統的狀態轉換圖300。系統在開始時處於IDLE狀態302，等待使能信號bl_g0被置位。當使能bl_go信號被置位時，例如通過與眨眼採樣速率相當的以一百(100)毫秒速率施加脈衝bl_go的振蕩器和控制電路，狀態機接著轉變至WAIT_ADC狀態304，在該狀態中，ADC被使能以將所接收的光水平轉換成數字值。ADC將adC_done信號置位，以指示其操作完成，並且系統或狀態機轉變至SHIFT狀態306。在SHIFT狀態306中，系統將最新接收的ADC輸出值推至移位寄存器中，以保存眨眼樣本的歷史。在一些示例性實施例中，為了使存儲要求最小化，首先將ADC輸出值與閾值進行比較，以向樣本值提供單個位(I或O)。系統或狀態機接著轉變至COMPARE狀態308，在此狀態中，如上所述將樣本歷史移位寄存器中的值與一個或多個眨眼序列模板和遮罩進行比 較。如果檢測到匹配，則可將一個或多個輸出信號置位(例如置為I)，以切換透鏡驅動器的狀態bl_cp_t0ggle或待由動力式眼科透鏡執行的任何其他功能。系統或狀態機接著轉變至DONE狀態310，並將bl_done信號置位，以指示其操作完成。
[0079]圖4示出了可用於對所接收的光水平進行檢測和採樣的示例性光傳感器或光檢測器信號路徑pd_rX_top。信號路徑pd_rx_top可包括光二極體402、轉阻抗放大器404、自動增益和低通濾波級406 (AGC/LPF)、以及ADC408。adc_vref信號從電源110 (參見圖1)輸入到ADC408，或者作為另外一種選擇，其可由模數轉換器408內的專用電路提供。ADC408的輸出adc_data被傳送到數位訊號處理和系統控制器區塊108/114(參見圖1)。儘管為易於解釋起見在圖1中分別被示出為個體區塊108和114，然而數位訊號處理和系統控制器優選地在單個區塊410上實現。使能信號adc_en、起動信號adc_start以及復位信號adc_rst_n是從數位訊號處理和系統控制器410接收的，同時完成信號adc_complete被傳送到數位訊號處理和系統控制器410。時鐘信號adc_clk可從位於信號路徑pd_rx_top外的時鐘源接收，或者從數位訊號處理和系統控制器410接收。重要的是應注意，adc_clk信號和系統時鐘可以不同頻率運行。還重要的是應注意，根據本發明可使用任何數量的不同ADC，這些ADC可具有不同的界面和控制信號，但其執行相似的功能:提供光傳感器信號路徑的模擬部分的輸出的採樣的數字表示。光檢測使能信號Pd_en以及光檢測增益pd_gain是從數位訊號處理和系統控制器410接收的。
[0080]圖5示出了可用於將所接收的ADC信號值adc_data減小至單個位的值pd_data的數字調節邏輯500的方框圖。數字調節邏輯500可包括數字寄存器502，以從光檢測信號路徑pd_rx_top接收數據adc_data,從而在信號adc_data_held上提供保持值。數字寄存器502被配置成在adc_complete信號被置位時在adc_data信號上接收新的值,並且在接收到adC_COmplete信號時保持最後接收的值。這樣，一旦所述數據被鎖存，系統便可禁用光檢測信號路徑，以降低系統的電流消耗。接著，可在閾值產生電路504中通過數字邏輯中實現的積分加清除平均或其他平均方法對所保持的數據值進行平均，以在信號pd_th上產生一個或多個閾值。接著，可通過比較器506對所保持的數據值與所述一個或多個閾值進行比較，以在信號pd_data上產生一位數據值。應當理解，所述比較運算可利用滯後或與一個或多個閾值的比較，以使輸出信號pd_data上的噪聲最小化。數字調節邏輯可還包括增益調節區塊pd_gain_adj508，以根據所計算的閾值和/或根據所保持的數據值通過圖4所示的信號pd_gain在光檢測信號路徑中設定自動增益和低通濾波級406的增益。重要的是應注意，在該示例性實施例中，六位的字在眨眼檢測的動態範圍內提供足夠的解析度，同時使複雜度最小化。
[0081]在一個示例性實施例中，閾值產生電路504包括峰值檢測器、谷值檢測器和閾值計算電路。在該示 例性實施例中，可如下產生閾值和增益控制值。峰值檢測器和谷值檢測器被配置成接收信號adc_data_held上的保持值。峰值檢測器還被配置成提供輸出值pd_pk,輸出值pd_pk快速地跟蹤adc_data_held值的增大並在adc_data_held值減小時緩慢衰減。該操作類似於電【技術領域】中熟知的傳統二極體包絡線檢測器的操作。谷值檢測器還被配置成提供輸出值pd_vl,輸出值pd_vl快速地跟蹤adc_data_held值的減小並在adc_data_held值增大時緩慢地衰減至更高的值。谷值檢測器的操作也類似於二極體包絡線檢測器，其中放電電阻器被連接至正電源電壓。閾值計算電路被配置成接收pd_pl值和pd_vl值,並且還被配置成根據pd_pk值和pd_vl值的平均來計算中點閾值pd_th_mid。閾值產生電路504根據中點閾值pd_th_mid來提供閾值pd_th。
[0082]閾值產生電路504可還適於響應於pd_gain值的變化來更新pd_pk水平和pd_vl水平的值。如果pd_gain值增大一個步長,則pd_pk和pd_vl值增大一個因數,所述因數等於光檢測信號路徑的預期增益增大值。如果pd_gain值減小一個步長，則pd_pk值和pd_val值減小一個因數，所述因數等於光檢測信號路徑的預期增益減小值。這樣，分別在pd_Pk值和pd_vl值中所保持的峰值檢測器和谷值檢測器的狀態、以及根據pd_pk值和pd_vl值計算出的閾值Pd_th被更新以與信號路徑增益的變化相匹配，從而避免僅根據光檢測信號路徑增益的有意變化所得到的狀態或值的不連續性或其他變化。
[0083]在閾值產生電路504的另一示例性實施例中，閾值計算電路可還被配置成根據pd_pk值的比例或百分比來計算閾值pd_th_pk。在優選的示例性實施例中，pd_th_pk可有利地被配置成Pd_pk值的八分之七，其計算可通過簡單的右移三位和減法來實現，如在本領域中眾所熟知。閾值計算電路可將閾值pd_th選擇為pd_th_mid和pd_th_pk中的較小者。這樣，pd_th值將永遠不等於pd_pk值，即使是在恆定的光長時期入射於光二極體上(這可能會導致pd_pk值和pd_vl值相等)之後。應當理解，pd_th_pk值確保在長時間間歇之後檢測到眨眼。閾值產生電路的行為進一步示於圖9中，如隨後所論述的。
[0084]圖6示出了根據本發明的實施例的可用於實現示例性數字眨眼檢測算法的數字檢測邏輯600的方框圖。數字檢測邏輯600可包括移位寄存器602，移位寄存器602適於從光檢測信號路徑pd_rX_top(圖4)接收數據，或者從數字調節邏輯(圖5)接收數據，如此處在具有一位值的信號pd_data上所示。移位寄存器602在此處將所接收的樣本值的歷史保持於24位寄存器中。數字檢測邏輯600還包括比較區塊604，該比較區塊適於接收樣本歷史以及一個或多個眨眼模板bltpl和眨眼遮罩bl_mask，並且數字檢測邏輯600適於在一個或多個輸出信號上指示與所述一個或多個模板和遮罩的匹配，所述一個或多個輸出信號可被保持以供以後用。比較區塊604的輸出通過D型觸發器606進行鎖存。數字檢測邏輯600還可包括計數器608或其他邏輯，以抑制由於遮罩操作引起的以小的移位對同一樣本歷史集合進行的連續比較。在優選的示例性實施例中，在發現確實匹配之後將樣本歷史清除或復位，因而需要採樣完整的、新的匹配眨眼序列才能再識別後續匹配。數字檢測邏輯600還可包括狀態機或相似控制電路，以向光檢測信號路徑和ADC提供控制信號。在一些示例性實施例中，控制信號可由與數字檢測邏輯600分開的控制狀態機產生。該控制狀態機可為數位訊號處理和系統控制器410的一部分。
[0085]圖7示出了從眨眼檢測子系統向在光檢測信號路徑中所用的ADC408(圖4)提供的控制信號的時序圖。使能信號和時鐘信號adc_en、adc_rst_n和adc_clk在樣本序列開始時被激活，並持續至模數轉換過程完成為止。在一個示例性實施例中，ADC轉換過程是當在adc_start信號上提供脈衝時開始的。ADC輸出值被保持於adc_data信號中，並且過程的完成是由模數轉換器邏輯在adc_complete信號上指示的。在圖7中還示出了 pd_gain信號，所述信號用於設定ADC之前的放大器的增益。該信號被顯示為在暖機時間(warm-uptime)之前被設定，以使模擬電路偏壓和信號水平在轉換之前達到穩定。
[0086]圖8示出了包括數字眨眼檢測子系統dig_blink802的數字系統控制器800。數字眨眼檢測子系統dig_blink802可由主狀態機dig_master804控制並可適於從位於數字系統控制器800外的時鐘產生器clkgen806接收時鐘信號。數字眨眼檢測子系統dig_blink802可適於向如上所述的光檢測子系統提供信號以及從光檢測子系統接收信號。除包括用於控制眨眼檢測算法中的運算序列的狀態機之外，數字眨眼檢測子系統dig_blink802還可包括如上文所述的數字調節邏輯和數字檢測邏輯。數字眨眼檢測子系統dig_blink802可適於從主狀態機804接收使能信號，並向主狀態機804提供完成或結束指示以及眨眼檢測指示。
[0087]圖9提供了波形(圖9A-9G)，以示出閾值產生電路和自動增益控制(圖5)的操作。圖9A示出了由可響應於不同光水平的光二極體提供的光電流與時間的關係的例子。在曲線圖的第一部分中，與在曲線圖的第二部分中相比，光水平和所得的光電流相對較低。在曲線圖的第一部分和第二部分兩者中，均看到兩次眨眼以減少光和光電流。應注意，由眼瞼造成的光的衰減可能不是百分之一百(100)，而是較低的值，該值取決於眼瞼對入射於眼睛上的光波長的透射特性。圖9B示出了響應於圖9A的光電流波形捕獲的adc_data_held值。為簡明起見，adc_data_held值被示出為連續的模擬信號而不是一系列離散的數字樣本。應當理解，數字樣本值將對應於圖9B中在對應樣本時間所示的水平。在曲線圖頂部和底部處的虛線指示adc_data信號和adc_data_held信號的最大值和最小值。最小值和最大值之間的範圍也稱為adc_data信號的動態範圍。如以下所論述的，在曲線圖第二部分中的光檢測信號路徑增益是不同的(較低)。一般來講，adc_data_held值與光電流成正比，並且增益變化僅影響比例性的比率或常數。圖9C示出了由閾值產生電路響應於adc_data_held值計算的pd_pk、pd_vl和pd_th_mid值。圖9D示出了在閾值產生電路的一些示例性實施例中響應於adc_data_held值計算的pd_pk、pd_vl和pd_th_pk值。應注意，pd_th_pk值始終是pd_pk值的某一比例。圖9E不出了 adc_data_held值以及pd_th_mid和pd_th_pk值。應注意，在其中adc_data_held值相對恆定的很長一段時間中，隨pd_vl值衰減至同一水平，pd_th_mid值變得等於adc_data_held值。pd_th_pk值始終保持低於adc_data_held值某一量。在圖9E中還示出了 pd_th的選擇,其中將pd_th值選擇為pd_th_pk和pd_th_mid中的較小者。這樣，閾值始終被設定為距pd_pk值某一距離,從而避免因光電流信號和adc_data held信號上的噪聲引起pd_data上的誤躍遷。圖9F示出了通過將adc_data_held值與pd_th值進行比較而產生的pd_data值。應注意，pd_data信號是雙值信號，其在發生眨眼時較低。圖9G示出了這些示例性波形的tia_gain值與時間的關係。tia_gain值被設定成當pd_th開始超過在圖9E中被顯示為agc_pk_th的高閾值時更低。應當理解，當pd_th開始下降至低於低閾值時，發生相似的行為而使tia_gain升高。重新參見圖9A至圖9E中每一個的第二部分，tia_gain降低的效果很明顯。尤其應注意，adc_data_held值保持於adc_data信號和adc_data_held信號的動態範圍的中間附近。此外，重要的是應注意，如上所述根據增益變化來更新Pd_pk值和pd_vl值，從而在峰值和谷值檢測器狀態中避免只因光檢測信號路徑增益引起的不連續性。
[0088]圖10示出了集成電路管芯1000上的示例性光阻擋結構和光通過結構。集成電路管芯1000包括光通過區域1002、光阻擋區域1004、焊盤1006、鈍化開孔1008、以及光阻擋層開孔1010。光通過區域1002位於光傳感器(未示出)上方，例如在半導體工藝中形成的光二極體陣列。在優選的示例性實施例中，光通過區域1002使儘可能多的光到達光傳感器，從而使靈敏度最大化。這可通過除去感光器上方的多晶矽、金屬、氧化物、氮化物、聚醯亞胺和其他層來完成，這在用於加工或後處理的半導體工藝中是允許的。光通過區域1002也可接受其他特殊處理，以使光檢測最大化，例如施加減反射塗層、濾波器、和/或漫射器。光阻擋區域1004可覆蓋管芯上不需要進行曝光的其他電路。光電流可能會使其他電路的性能劣化，例如在如此前所提及的結合到接觸透鏡中所需的超低電流電路中使偏置電壓和振蕩器頻率偏移。光阻擋區域1004優選地以薄的、不透明的反射材料形成，例如在半導體晶片處理和後處理中已經使用的鋁或銅。如果與金屬形成，則形成光阻擋區域1004的材料必須與下面的電路和焊盤1006絕緣，以防止短路狀況。此類絕緣可由已經作為正常晶片鈍化物的一部分存在於管芯上的鈍化物(例如氧化物、氮化物和/或聚醯亞胺)來提供或者由後處理期間所加入的其他電介質來提供。遮蔽允許光阻擋層具有開孔1010，使得導電的光阻擋金屬不與管芯上的 焊盤重疊。光阻擋區域1004被額外的電介質或鈍化物覆蓋，以保護管芯並避免在管芯附著期間短路。該最終鈍化物具有鈍化物開孔1008，以允許連接至焊盤 1006。
[0089]圖11示出了根據本發明的實施例的具有電子插件的示例性接觸透鏡，所述電子插件包括眨眼檢測系統。接觸透鏡1100包括軟塑料部分1102，所述軟塑料部分包括電子插件1104。該插件1104包括由電子器件激活的透鏡1106，例如根據激活聚焦於近處或遠處。集成電路1108安裝於插件1104上並連接至電池1110、透鏡1106、以及系統所必需的其他組件。集成電路1108包括光傳感器1112和相關聯的光檢測器信號路徑電路。光傳感器1112穿過透鏡插件面朝外並遠離眼睛，因而能夠接收環境光。光傳感器1112可在集成電路1108上(如圖所示)例如以單個光二極體或光二極體的陣列實現。光傳感器1112也可以安裝於插件1104上的單獨裝置實現並與跡線1114連接。當眼瞼閉合時，包括光檢測器1112的透鏡插件1104被覆蓋，從而使入射於光檢測器1112上的光水平減小。光檢測器1112能夠測量環境光，以確定使用者是否在眨眼。
[0090]眨眼檢測算法的附加實施例可允許眨眼序列的持續時間和間隔的更大變化，例如通過根據第一次眨眼所測量的結束時間來對第二次眨眼的開始計時，而非通過利用固定的模板或通過加寬遮罩的「不用計」間歇(O值)。
[0091]應當理解，眨眼檢測算法可在數字邏輯中或者在微控制器上運行的軟體中實現。算法邏輯或微控制器可與光檢測信號路徑電路和系統控制器一起在單個應用專用集成電路(ASIC)上實現，或者其可橫跨多於一個的集成電路來劃分。
[0092]重要的是應注意，本發明的眨眼檢測系統具有比視力診斷、視力矯正以及視力提高更廣的用途。這些更廣的用途包括利用眨眼檢測來為具有身體殘疾的個體控制各種各樣的功能。眨眼檢測可被設置成睜眼或閉眼。
[0093]根據另一個示例性實施例，本發明涉及具有面向後瞳孔直徑傳感器的動力式或電子式眼科透鏡。瞳孔的大小及其變化(即擴張和收縮)可用於控制該電子式或動力式接觸透鏡的一個或多個方面。換句話講，從瞳孔傳感器輸出的信號可輸入到系統控制器，該控制器繼而根據輸入採取特定動作，並向致動器輸出信號以執行特定功能。此外，感測到的信息可用於評估身體狀況。
[0094]虹膜是眼睛前房和後房之間的分隔物。虹膜由兩塊肌肉形成，這兩塊肌肉調節虹膜的中央開口(通常稱為瞳孔)。與照相機快門相似，瞳孔通過這兩塊肌肉的動作來控制進入眼睛的光量。瞳孔的大小隨著年齡、瞳孔的顏色和屈光不正(如果有的話)而變化；然而，在任何給定時間，許多其他因素也可影響瞳孔的大小。
[0095]使用某些藥劑例如睫狀肌麻痺劑(如阿託品)可導致瞳孔擴張。第三腦神經麻痺可導致瞳孔擴張。患急性窄角青光眼後，瞳孔可擴張並對直射光刺激和間接光刺激不敏感。作為另外一種選擇，使用青光眼藥物(例如匹魯卡品)可導致瞳孔收縮。其他藥物(例如嗎啡)導致瞳孔收縮。此外，某些疾病(例如虹膜炎、眼部交感神經通路中斷和角膜的刺激性損傷)也可導致 瞳孔收縮。虹膜震顫是瞳孔的痙攣性的有節奏但不規則的擴張和收縮，並且可指示多種疾病。
[0096]外部精神影響(包括驚訝、恐懼和苦惱)也導致瞳孔擴張。弱光導致瞳孔擴張，而亮光導致瞳孔收縮。此外，當個體聚焦於近處物體(例如閱讀書籍)時，瞳孔會由於通常稱為調節反射而輕微會聚和收縮。因此，由於已知某些因素會導致健康眼睛發生特定的瞳孔反應，所以感測瞳孔的反應可用作一種控制方法。例如，如果只檢測到瞳孔收縮或同時檢測到瞳孔收縮和會聚，則系統控制器可向致動器發送信號，以改變被結合到動力式接觸透鏡中的可變焦光學器件的狀態。
[0097]現在參見圖12，其示出了具有瞳孔直徑傳感器的動力式接觸透鏡。接觸透鏡1200定位在個體的眼睛1201上。眼睛1201的虹膜被示為兩級直徑，即收縮狀態直徑1203和擴張狀態直徑1205。接觸透鏡1200覆蓋眼睛1201的包括虹膜的部分。接觸透鏡1200包括第一示例性瞳孔直徑傳感器1202和電子組件1204。接觸透鏡1200可包括未示出的其他裝置。
[0098]示例性瞳孔直徑傳感器1202優選地定位在虹膜上方的接觸透鏡1200中。如圖所示，瞳孔直徑傳感器1202是覆蓋所有的可能瞳孔直徑的薄帶，從而允許其檢測所有級別的瞳孔直徑。如果該傳感器以帶實現，如該示例性實施例中的情況，則該帶優選地薄且透明，以便不會阻擋光入射在眼睛1201上。在一個示例性實施例中，瞳孔直徑傳感器1202包括背對或面對虹膜的光檢測器的陣列。根據瞳孔直徑，與虹膜中心相隔不同距離的傳感器將檢測到不同的反射光。例如，當虹膜擴張時，由於瞳孔變大變暗，大部分傳感器可能幾乎檢測不到光。相反，當虹膜收縮時，由於虹膜的反射，大部分傳感器可檢測到更高強度的光。應當理解，對於這種傳感器，可能需要(例如)通過使用者專用的編程和/或校準，在系統設計中考慮環境光水平和虹膜顏色。這種環境光傳感器可實現為面向前光傳感器以補充瞳孔直徑傳感器1202的面向後傳感器。在一個示例性實施例中，為儘量避免阻擋眼睛前方的光學區，可使用透明半導體(例如銦錫氧化物)和小且薄的矽光傳感器來實現瞳孔直徑傳感器 1202。
[0099]在一個替代的示例性實施例中，瞳孔直徑傳感器1202可以傳感器的陣列實現，與僅線性帶相比，這些傳感器定位在虹膜周圍以使覆蓋範圍最大化。應當理解，其他物理配置也可使性能、成本、舒適度、接受度和其他指標儘量最優化。
[0100]瞳孔直徑傳感器1202可與其他電子器件集成，可單獨工作，或者可連接到其他裝置，例如電子組件1204的控制器部分。在該示例性實施例中，系統控制器對瞳孔直徑傳感器1202進行採樣，並且根據瞳孔直徑傳感器1202產生的結果，系統控制器可激活系統中的其他組件(未示出)。例如，該控制器可激活可變焦透鏡。電源(未示出)向瞳孔直徑傳感器1202、控制器以及電子式眼科系統的其他組件提供電流。下面給出更詳細的描述。
[0101]這種系統可能不僅需要如圖示和描述的那些檢測器，還需要發射器(未示出)。這些發射器可(例如)包括與瞳孔直徑傳感器1202的光傳感器匹配的發光二極體。作為另外一種選擇，發射器可包括聯接到瞳孔直徑傳感器1202中的超聲接收器的壓電超聲換能器。在另一個示例性實施例中，傳感器和發射器可(例如)通過使低電流信號通過眼睛並測量穿過眼睛的電壓變化，形成阻抗檢測系統。
[0102]圖13示出了具 有替代的示例性瞳孔直徑傳感器的接觸透鏡。接觸透鏡1300定位在個體的眼睛1301上。眼睛1301的虹膜被示為兩級直徑，即收縮狀態直徑1303和擴張狀態直徑1305。接觸透鏡1300覆蓋眼睛1301的包括虹膜的部分。與上述和圖12中示出的部分覆蓋瞳孔的帶或檢測器的陣列不同，圖13中的系統將一個或多個瞳孔直徑傳感器1302定位在最大瞳孔直徑1305之外，但仍在接觸透鏡1300內部。這種構型十分有益，因為不會因瞳孔直徑傳感器1302而阻擋光學區。一個或多個瞳孔直徑傳感器1302可(例如)包括單向或多向線圈天線。這種天線可在肌肉控制虹膜收縮和放鬆時接收來自眼睛的電磁輻射。相關領域熟知，可(例如)使用接觸電極、電容傳感器和天線，通過電磁輻射的變化來檢測眼睛的肌肉和神經活動。這樣，可實現基於肌肉傳感器的瞳孔直徑傳感器。瞳孔直徑傳感器1302還可以一個或多個接觸式或電容式電極實現，其設計為測量穿過眼睛的阻抗。在其他被提議的系統中，使用阻抗變化來確定眼睛的睫狀肌活動，從而確定改變焦點狀態的要求，與此相似，阻抗可用於檢測瞳孔直徑的變化。例如，測量的橫跨虹膜和瞳孔的阻抗可根據瞳孔直徑顯著改變。放置在眼睛上的適當位置處並適當地聯接到眼睛的瞳孔直徑傳感器1302可以檢測這些阻抗變化，從而檢測瞳孔直徑。接觸透鏡1300還可包括如上所述的電子組件1304。
[0103]圖14示出了示例性電子系統1400，其用於控制如圖12和13所示的瞳孔直徑傳感器、從其接收信息以及改變致動器的狀態。瞳孔直徑傳感器1402包括一個或多個如此前所述的瞳孔直徑傳感器，例如光傳感器、天線或阻抗傳感器。為簡明起見，在該示出的示例性實施例中，實現或改善傳感器性能所必需的任何發射器均包括在元件1402中。元件1402可包括多個傳感器或多個傳感器塊(例如1402)，它們可能以不同技術和傳感器方法實現。元件1404是傳感器1402和數字系統控制器1406之間的交接。為簡明起見，僅以一個元件1404示出，系統的該部分負責激活傳感器1402、從其接收信息、從模擬轉換成數字、放大、濾波、處理、以及任何其他必需的功能。其可包括一個或多個復用器、運算放大器、模數轉換器(ADC)、數位訊號處理器(DSP)、濾波器、以及信號處理領域已知的其他裝置。信號調節元件1404的輸出是由傳感器數據構成的信號，其輸入到系統控制器1406。系統控制器1406判斷來自瞳孔直徑傳感器1402的輸入，並確定致動器1408是否需要改變狀態。致動器1408可執行多種功能中的任一種，例如改變可變焦透鏡的狀態或眼睛前方的濾波器的透射率。系統控制器1406可判斷來自多個傳感器1402的輸入，並且可驅動多個致動器1408。收發器1410可包括在系統中以發送數據至外部裝置和/或從外部裝置接收數據，該外部裝置例如安裝在相鄰眼睛上的第二接觸透鏡、眼鏡透鏡、智慧型手機或其他裝置。這種通信通過天線1412發生，該天線可能是電磁天線或發光二極體/光二極體傳感器組合。電源1414為系統供電，該電源可包括電池或能量收集器。
[0104]重要的是應注意，與另一隻眼睛上的裝置以及外部透鏡和傳感器的通信可優選地排除可能誤觸發動作的某些狀況。例如，如果只有一隻瞳孔擴張，這可能指示問題，而不只是弱光。
[0105]根據一個示例性實施例，數字通信系統包括多個在實現時可呈多種形式的元件。數字通信系統通常包括信息源、源編碼器、信道編碼器、數字調製器、信道、數字解調器、信道解碼器和源解碼器。 [0106]信息源可包括生成另一裝置或系統所需的信息和/或數據的任何裝置。源可為模擬的或數字的。如果源為模擬的，則將其輸出轉換成包含二進位串的數位訊號。源編碼器執行將來自源的信號有效轉換成二進位數字序列的過程。然後使來自源編碼器的信息進入信道編碼器，在信道編碼器中將冗餘引入二進位信息序列。該冗餘可在接收器處用於克服在信道上遇到的噪音、幹擾等影響。然後將二進位序列傳到數字調製器，其繼而將序列轉換成模擬電信號，以便經信道傳輸。實質上，數字調製器將二進位序列映射成信號波形或符號。每個符號可表示一個或多個位的數值。數字調製器可調製適合經信道或通過信道傳輸的高頻載波信號的相位、頻率或振幅。信道是波形傳播所通過的介質，而信道可對波形產生幹擾或其他損壞。就無線通信系統而言，信道為大氣。數字解調器接收被信道破壞的波形、對其進行處理，並將波形簡化成數字序列，這些數字儘可能接近地表示所傳輸的數據信號。信道解碼器通過對信道編碼器所用編碼的認識以及所收到的數據中的冗餘而重構原始信息序列。源解碼器通過對編碼算法的認識將序列解碼，其中其輸出表示源信息信號。
[0107]重要的是應注意，上述元件可在硬體中、在軟體中或在硬體和軟體的組合中實現。此外，通信信道可包括任何類型的信道，包括有線和無線方式。在無線方式中，信道可針對高頻電磁信號、低頻電磁信號、可見光信號和紅外光信號而配置。
[0108]圖15示出了環境光1502和瞳孔直徑1504與X軸上的時間的關係，示出這兩個測量的量在用於激活電子式眼科裝置(如接觸透鏡)方面的差異。在第一時間周期1501期間，環境光水平1502增大，而瞳孔直徑1504減小。可如此前所述的感測環境光和瞳孔直徑，例如分別通過前向光二極體和面向後阻抗傳感器。作為普遍的情形，當時間周期1501中的環境光增強時，瞳孔直徑減小。這是一種常見反應，其通過減小虹膜的孔徑來保持視網膜上相對恆定的光強度。在時間周期1503中，環境光水平1502首先繼續增大，然後保持平穩。然而，瞳孔直徑1504比在上一時間周期中更快收縮。這並非環境光與瞳孔直徑之間的經典相關性。該響應可能由瞳孔(可能對近距離書本)的窄角響應所致，這與環境光檢測器的寬角響應不同。這樣，可檢測到瞳孔直徑響應的變化並將其用於激活電子式眼科裝置中的功能。在時間周期1505中，環境光1502繼續持平，然而瞳孔直徑1504擴張或增大。再次說明，這可能由眼睛的特殊響應(例如調節反射)所致。在時間周期1507中，環境光水平1502再次發生變化，先持平而後減小，瞳孔直徑1504持平。再次說明，這可用於檢測眼睛的某些響應和觸發電子式眼科裝置操作的改變。最後，在時間周期1509中，再次觀察到了與時間周期1501中所示相似的經典響應。隨著環境光水平1502減小，瞳孔直徑1504擴張以使更多的光進入。
[0109]信號調節塊和系統控制器(分別為圖14中的1404和1406)的活動取決於可用的傳感器輸入、環境以及使用者反應，例如圖15中示出的環境光水平和瞳孔直徑。輸入、反應、以及確定閾值可根據以下中的一者或多者來確定:眼科研究、預編程、訓練、以及自適應性/學習算法。例如，瞳孔擴張與環境光的關係的一般特性可在文獻中充分記錄、適用於廣泛的使用者人群，以及被預編程到系統控制器1406中。然而，個體與一般預期響應的偏差，例如圖15的時間周期1503、1505和1507中示出的偏差可記錄在自適應/學習算法的訓練會話或部分中，所述算法繼續完善電子式眼科裝置操作中的響應。在一個示例性實施例中，使用者可通過在使用者想要聚焦於近處時激活與裝置通信的手持式短表鏈來訓練所述裝置。裝置中的學習算法可接著參考在短表鏈信號之前與之後所存儲的傳感器輸入，以完善內部決策算法。該訓練周期可持續一天，然後裝置將僅靠傳感器輸入來自主地操作，並且不需要短表鏈。
[0110]應當理解，瞳孔直徑可單獨用於觸發電子式眼科透鏡的改變，例如提高或降低眼睛前方的可變透射率透鏡的透射率，或者瞳孔直徑可結合一個或多個其他輸入來改變電子式眼科裝置的狀態。 [0111]還應當理解，利用此類傳感器的裝置可不以對使用者可見的方式改變狀態；相反，裝置可只是記錄數據。例如，此類傳感器可用於確定使用者是否在一整天中具有正確的虹膜響應或者是否存在有問題的醫療病症。
[0112]在一個示例性實施例中，在接觸透鏡的周邊區中而非在光學區中製作電子器件和電子互連線。根據替代的示例性實施例，重要的是應注意，電子器件的位置不必僅限於接觸透鏡的周邊區。本文所述的所有電子組件均可利用薄膜技術和/或透明材料加工成形。如果利用這些技術，則電子組件可放置於任何適合的位置，只要它們與光學元件兼容即可。
[0113]儘管所示出和描述的據信是最為實用和優選的實施例，但顯而易見的是，本領域中的技術人員可以對所描述和所示出的具體設計和方法作出變更，並且可在不脫離本發明的實質和範圍的情況下使用這些變更形式。本發明並非局限於所述和所示的具體配置，而是應該理解為與落入所附權利要求書的範圍內的全部修改形式相符。
【權利要求】
1.一種動力式眼科透鏡，所述動力式眼科透鏡包括: 接觸透鏡，所述接觸透鏡包括光學區和周邊區；以及 瞳孔直徑傳感器系統，所述瞳孔直徑傳感器系統被結合到所述接觸透鏡中以用於測量瞳孔直徑，所述瞳孔直徑傳感器系統包括至少一個傳感器、系統控制器、以及至少一個致動器，所述系統控制器與所述至少一個傳感器可操作地關聯並配置成用於確定所述瞳孔的所述直徑並根據瞳孔直徑輸出控制信號，所述至少一個制動器配置成接收所述輸出控制信號並實現預定的功能。
2.根據權利要求1所述的動力式眼科透鏡，其中至少一個傳感器包括薄帶，所述薄帶橫跨所述光學區安裝，使得其能夠感測完全收縮和完全擴張的瞳孔。
3.根據權利要求2所述的動力式眼科透鏡，其中所述薄帶包括安裝成面向所述眼睛的虹膜的光傳感器的陣列。
4.根據權利要求3所述的動力式眼科透鏡，其中所述光傳感器的所述陣列包括透明光傳感器。
5.根據權利要求3所述的動力式眼科透鏡，其中所述光檢測器的所述陣列包括薄矽光傳感器。
6.根據權利要求1所述的動力式眼科透鏡，其中所述至少一個傳感器包括圍繞所述光學區周邊定位的個體傳感器的陣列。
7.根據權利要求6所述的動力式眼科透鏡，其中所述個體傳感器的所述陣列包括光傳感器。
8.根據權利要求1所述的動力式眼科透鏡，其中所述瞳孔擴張傳感器還包括信號處理器，所述信號處理器配置成從所述至少一個傳感器接收信號、執行數位訊號處理、以及向所述系統控制器輸出一個或多個信號。
9.根據權利要求8所述的動力式眼科透鏡，其中所述信號處理器包括相關聯的存儲器。
10.根據權利要求1所述的動力式眼科透鏡，其中所述瞳孔直徑傳感器系統包括電源。
11.根據權利要求1所述的動力式眼科透鏡，其中所述至少一個傳感器包括阻抗傳感器。
12.根據權利要求1所述的動力式眼科透鏡，其中所述至少一個傳感器包括神經肌肉活動傳感器。
【文檔編號】A61B3/11GK104013382SQ201310114032
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2013年4月3日 優先權日:2013年2月28日
【發明者】R.B.皮尤, A.託納, D.B.奧茨 申請人:莊臣及莊臣視力保護公司