BR102016019982A2 - sistema de fotodetector antisserrilhamento - Google Patents

Abstract

"sistema de fotodetector antisserrilhamento". um sistema de fotodetector antisserrilhamento para um dispositivo oftálmico energizado, como uma lente de contato, pode ser utilizado em uma variedade de funções. o sistema de fotodetector antisserrilhamento converte a corrente de um arranjo de fotodetectores em uma tensão para uso em outros aspectos do dispositivo oftálmico energizado. o sistema de fotodetector antisserrilhamento compreende um arranjo de fotodiodos incluindo uma pluralidade de fotodiodos individuais, um circuito de integração e retenção, incluindo um capacitor e comutador para converter a corrente em tensão e um conversor analógico/digital. o sistema de fotodetector antisserrilhamento propicia baixo consumo de energia, uma ampla faixa dinâmica, rejeição a interferências e é capaz de detectar luz visível ambiente incidente bem como luz infravermelha incidente.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE FOTODETECTOR ANTISSERRILHAMENTO".

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO 1. Campo da Invenção [001] A presente invenção se refere a uma lente oftálmica energi-zada ou eletrônica ou outro dispositivo similar e, mais em particular, a um circuito fotodetector antisserrilhamento, incluindo um integrador que tem pelo menos um capacitor e um comutador para converter corrente em tensão para uso em aplicações na faixa de baixa potência e/ou dinâmica alta com rejeição/supressão de interferências adequada. 2. Discussão da técnica relacionada [002] Como os dispositivos eletrônicos continuam a ser miniaturi-zados, está se tornando cada vez mais provável criar dispositivos mi-croeletrônicos que podem ser usados ou embutidos para uma variedade de usos. Tais usos podem incluir o monitoramento de aspectos da química do corpo, administração de dosagens controladas de medicamentos ou agentes terapêuticos através de vários mecanismos, incluindo automaticamente, em resposta a medições, ou em resposta a sinais de controle externos, e aumento do desempenho de órgãos ou tecidos. Exemplos de tais dispositivos incluem bombas de infusão de glicose, marca-passos, desfibriladores, dispositivos de auxílio ventricular e neuroestimuladores. Um novo campo de aplicação particularmente útil é para lentes de contato e lentes oftálmicas para serem usadas junto ao corpo. Por exemplo, uma lente para ser usada junto ao corpo pode incorporar um conjunto de lentes que tem um foco ajustável eletronicamente para aumentar ou melhorar o desempenho do olho. Em um outro exemplo, com ou sem foco ajustável, uma lente de contato para ser usada junto ao corpo pode incorporar sensores eletrônicos para detectar concentrações de produtos químicos específicos no filme pré-corneal (lacrimal). O uso de eletrônicos integrados em um conjunto de lentes introduz um requisito em potencial para comunicação com os eletrônicos, para um método de energização e/ou re-energização dos eletrônicos, para interconexão dos eletrônicos, para detecção e/ou monitoramento interno e externo e para o controle dos eletrônicos e da função geral da lente.

[003] O olho humano tem a capacidade de discernir milhões de cores, se ajustar facilmente às condições de luz variáveis e transmitir sinais ou informações ao cérebro a uma taxa que excede a de uma conexão de Internet de alta velocidade. As lentes, como lentes de contato e lentes intraoculares, são utilizadas atualmente para corrigir defeitos de visão como miopia (hipometropia), hiperopia (hipermetropia), presbiopia e astigmatismo. Entretanto, lentes adequadamente projetadas que incorporam componentes adicionais podem ser usadas para melhorar a visão e para corrigir defeitos de visão.

[004] As lentes de contato podem ser usadas para corrigir miopia, hiperopia, astigmatismo e outros defeitos da acuidade visual. Lentes de contato podem, também, ser utilizadas para melhorar a aparência natural dos olhos do usuário. As lentes de contato ou "lentes" são simplesmente lentes colocadas sobre a superfície anterior do olho. As lentes de contato são consideradas dispositivos médicos e podem ser usadas para corrigir a visão e/ou por razões cosméticas ou outras razões terapêuticas. As lentes de contato têm sido utilizadas comercialmente para melhorar a visão desde a década de 1950. As lentes de contato antigas eram produzidas ou fabricadas a partir de materiais rígidos e eram relativamente dispendiosas e frágeis. Além disso, essas lentes de contato antigas eram fabricadas a partir de materiais que não permitiam a transmissão de oxigênio suficiente através da lente de contato para a conjuntiva e a córnea, o que poderia causar, potencialmente, vários efeitos clínicos adversos. Embora essas lentes de conta- to ainda sejam utilizadas, as mesmas não são adequadas para todos os pacientes devido ao seu conforto inicial insatisfatório. Os desenvolvimentos posteriores no campo promoveram o surgimento de lentes de contato gelatinosas, à base de hidrogéis, que são extremamente populares e amplamente utilizadas atualmente. Especificamente, as lentes de contato de hidrogel de silicone que estão disponíveis hoje combinam o benefício do silicone que tem permeabilidade ao oxigênio extremamente alta com o conforto comprovado e o desempenho clínico dos hidrogéis. Essencialmente, estas lentes de contato à base de hidrogel e silicone têm uma permeabilidade a oxigênio mais alta e são, em geral, mais confortáveis de se usar que lentes de contato produzidas a partir de materiais rígidos mais primitivos.

[005] As lentes de contato convencionais são estruturas poliméri-cas com formatos específicos para corrigir vários problemas de visão, conforme resumidamente apresentado acima. Para alcançar a funcionalidade aperfeiçoada, vários circuitos e componentes precisam ser integrados nestas estruturas poliméricas. Por exemplo, circuitos de controle, microprocessadores, dispositivos de comunicação, fontes de alimentação, sensores, atuadores, diodos emissores de luz e antenas em miniatura podem ser integrados a lentes de contato através de componentes optoeletrônicos customizados não apenas para corrigir a visão, mas para melhorar a visão e também fornecer funcionalidade adicional, tal como é explicado aqui. Lentes de contato eletrônicas e/ou energizadas podem ser projetadas para proporcionar visão intensificada através de capacidades de ampliação e redução, ou apenas simplesmente modificando as capacidades refrativas das lentes. As lentes de contato eletrônicas e/ou energizadas podem ser projetadas para melhorar a cor e a resolução, exibir informações de textura, traduzir a fala em legendas em tempo real, oferecer indicações visuais a partir de um sistema de navegação, e fornecer processamento de imagens e acesso à internet. As lentes podem ser projetadas para permitir que o usuário enxergue em condições de pouca luz. Os elementos eletrônicos e/ou arranjo de elementos eletrônicos apropriadamente projetados nas lentes podem permitir a projeção de uma imagem sobre a retina, como por exemplo, sem uma lente óptica de foco variável, fornecer telas de imagens inovadoras e até mesmo fornecer alarmes. Alternativamente, ou em adição a qualquer uma destas funções ou funções similares, as lentes de contato podem incorporar componentes para o monitoramento não invasivo dos biomarcadores do usuário e indicadores de saúde. Por exemplo, sensores construídos nas lentes podem permitir a um paciente diabético manter indicações sobre os níveis de açúcar sanguíneo pela análise de componentes do filme lacrimal sem a necessidade de retirar sangue. Além disso, uma lente configurada adequadamente pode incorporar sensores para o monitoramento dos níveis de colesterol, sódio e potássio, bem como outros marcadores biológicos. Isto acoplado a um transmissor de dados sem fio podería permitir a um médico ter acesso quase imediato à química do sangue do paciente sem a necessidade do paciente perder tempo para ir a um laboratório e tirar sangue. Além disso, os sensores construídos nas lentes podem ser usados para detectar luz incidente no olho para compensar condições de luz ambiente ou para uso na determinação de padrões de piscadela.

[006] A combinação adequada de dispositivos podería fornecer funcionalidade potencialmente ilimitada; no entanto, existem inúmeras dificuldades associadas à incorporação de componentes extras em uma peça de polímero de grau óptico. Em geral, é difícil fabricar tais componentes diretamente sobre a lente por várias razões, assim como instalar e interconectar dispositivos planos sobre uma superfície não planar. Também é difícil se fazer fabricação em escala. Os componentes a serem colocados sobre ou dentro da lente precisam ser miniatu- rizados e integrados sobre apenas 1,5 centímetro quadrado de um polímero transparente, porém protegendo os componentes do ambiente líquido sobre o olho. Também é difícil tornar uma lente de contato confortável e segura para o usuário com a espessura adicionada dos componentes adicionais.

[007] Devido às restrições de área e volume de um dispositivo oftálmico como uma lente de contato, e o ambiente no qual a mesma deve ser utilizada, a concretização física do dispositivo deve vencer vários problemas, inclusive a instalação e interconexão de vários componentes eletrônicos sobre uma superfície não planar, cujo volume compreende plástico óptico. Consequentemente, existe uma necessidade de fornecer uma lente de contato eletrônica mecânica e eletricamente robusta.

[008] Como são lentes alimentadas, a energia, ou mais particularmente, o consumo de corrente para executar os elementos eletrônicos, é uma preocupação dado a tecnologia de baterias na escala para uma lente oftálmica. Em adição ao consumo de corrente normal, dispositivos ou sistemas energizados desta natureza geralmente necessitam de uma corrente reserva, um controle de tensão preciso e capacidades de chaveamento para assegurar operação ao longo de uma faixa potencialmente ampla de parâmetros de operação, e consumo de rajadas, como por exemplo, até dezoito (18) horas em uma única carga, após permanecer potencialmente inativo por anos. Consequentemente, existe uma necessidade por um sistema que seja otimizado para um serviço confiável, de baixo custo, de longa duração, seguro e de tamanho adequado tendo, ao mesmo tempo, baixo consumo de energia necessária.

[009] Além disso, por causa da complexidade da funcionalidade associada com uma lente alimentada e o nível alto de interação entre todos os componentes que compreendem uma lente alimentada, exis- te uma necessidade de coordenar e controlar a operação geral dos elementos eletrônicos e ópticos que compreendem uma lente oftálmica alimentada. Consequentemente, existe uma necessidade de um sistema para controlar a operação de todos os outros componentes que é seguro, de baixo custo e confiável, tem uma taxa baixa de consumo de potência e é escalável para a incorporação em uma lente oftálmica.

[0010] As lentes oftálmicas energizadas ou eletrônicas podem utilizar sensores de luz ambiente ou de luz infravermelha para detectar as condições de iluminação no ambiente, a piscadela pelo usuário e/ou os sinais de comunicação visíveis ou por infravermelho de outro dispositivo. A detecção de piscadela ou a comunicação à base de luz podem ser utilizadas como um meio para controlar um ou mais aspectos de uma lente oftálmica energizada. O olho humano é capaz de operar em uma faixa dinâmica extensa de níveis de luz a partir de aproximadamente 1 lux a mais de 100.000 lux. Portanto, os sensores de luz adequados para uso em lentes oftálmicas energizadas devem ser capazes de operar em uma faixa dinâmica muito ampla dos níveis de luz ambiente. Adicionalmente, os ambientes de iluminação encontrados em uso podem incluir fontes luminosas que criam ruído e interferência na energia de luz incidente. Por exemplo, a iluminação fluorescente de escritório tem uma ondulação significativa de duas vezes a frequência de linha, com uma amplitude na ordem de 30 por cento do nível médio de luz que varia a uma taxa de 120 Hz ao operar em um sistema elétrico e 60 Hz como nos Estados Unidos.

[0011] Os sensores de luz ambiente ou fotodetectores são utilizados em muitos sistemas e produtos, por exemplo, em televisões para ajustar o brilho de acordo com a luz do cômodo, em luzes para acender ao entardecer e em telefones para ajustar o brilho da tela. Os sistemas tradicionais de fotodetector utilizam um fotodiodo para gerar uma fotocorrente proporcional à energia de luz incidente e um circuito com amp-op (amplificador operacional) disposto como um amplificador de transimpedância para fornecer um sinal de tensão para controlar os circuitos que implementam as funções desejadas, como um controle remoto ou o ajuste de brilho da tela. Alguns sistemas de controle remoto utilizam um filtro de rejeição de luz ambiente e recebem uma portadora de amplitude modulada, que tem uma frequência na faixa de 30 kHz a 50 kHz, a qual é passada para um estágio de filtro passa-banda para passar a portadora de sinal modulado desejado e rejeitar os sinais indesejados. No entanto, estes sistemas de fotodetector correntemente utilizados não têm consumo de energia baixo o bastante ou faixa dinâmica alta o bastante para uso em lentes oftálmicas energiza-das. Além disso, o uso de um filtro passa-banda e/ou filtros de rejeição de luz ambiente para comunicação por infravermelho impede a detecção de níveis de iluminação ambiente com o mesmo sensor e exigiría circuito ou sensores adicionais para detecção de luz ambiente e de piscadela.

[0012] Consequentemente, existe uma necessidade por um sistema de fotodetector adequado para a incorporação em lentes oftálmicas energizadas ou eletrônicas. O sistema de fotodetector que é utilizado, de preferência, tem baixo consumo de energia, uma ampla faixa dinâmica, rejeição a interferências e a capacidade de detecção de luz visível ambiente e de luz infravermelha.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0013] A lente oftálmica energizada ou eletrônica que compreende um sistema de fotodetector antisserrilhamento, de acordo com a presente invenção, supera as limitações associadas à técnica anterior, conforme brevemente descrito acima.

[0014] De acordo com um aspecto, a presente invenção refere-se a um dispositivo oftálmico energizado. O dispositivo oftálmico energi-zado compreende um primeiro sensor incluindo um ou mais fotodiodos que produzem uma primeira corrente de saída; e um primeiro integrador que recebe a primeira corrente de saída e converte a mesma em uma primeira tensão de saída, em que o primeiro integrador compreende um primeiro comutador e um primeiro capacitor e é configurado para integrar a primeira corrente de saída em um período de tempo de integração predeterminado.

[0015] De acordo com outro aspecto, a presente invenção é direcionada a um dispositivo oftálmico energizado. O dispositivo oftálmico energizado compreende um primeiro sensor que inclui um ou mais fo-todiodos que produzem uma primeira corrente de saída, um primeiro integrador que recebe a primeira corrente de saída e converte a mesma em uma primeira tensão de saída para uso a jusante, em que o primeiro integrador compreende um primeiro comutador e um primeiro capacitor e é configurado para integrar a primeira corrente de saída em um período de tempo de integração predeterminado e uma fonte de tensão de referência, em que o primeiro comutador é configurado, de modo seletivo, para acoplar o primeiro capacitor à fonte de referência de tensão; sendo que um componente da primeira corrente de saída dos fotodiodos é proporcional à luz incidente, o período de tempo de integração predeterminado é uma função de um período de um sinal indesejado, o primeiro sensor é adicionalmente configurado para fechar, primeiramente, o primeiro comutador para pré-carregar o primeiro capacitor durante um intervalo de tempo de pré-carga e, então, secundariamente, para abrir o primeiro comutador durante um período de tempo de integração predeterminado e o um ou mais fotodiodos são seletivamente acoplados ao primeiro capacitor de modo que o ganho e/ou a sensibilidade do sensor possam ser variados.

[0016] De acordo com ainda um outro aspecto, a presente invenção é direcionada a um dispositivo sensível à luz. O dispositivo sensível à luz compreende um primeiro sensor incluindo um ou mais fotodi- odos que produzem uma primeira corrente de saída, e um primeiro integrador que recebe a primeira corrente de saída e converte a mesma em uma primeira tensão de saída, em que o primeiro integrador compreende um primeiro comutador e um primeiro capacitor, e é configurado para integrar a primeira corrente de saída em um período de tempo de integração predeterminado.

[0017] A presente invenção se refere a um dispositivo oftálmico energizado, como uma lente de contato, que compreende um sistema eletrônico que executa qualquer número de funções, incluindo atuação de uma ótica de foco variável, se for inclusa. O sistema eletrônico inclui uma ou mais baterias ou outras fontes de energia, circuitos de gerenciamento de potência, um ou mais sensores, circuitos de geração de relógio, algoritmos e circuitos de controle e circuitos de acionamento da lente. Além disso, o sistema eletrônico, de acordo com a presente invenção, compreende adicionalmente um sistema de fotodetector para converter corrente de um arranjo de fotodetectores em uma tensão para uso em outros aspectos do dispositivo oftálmico energizado.

[0018] O sistema de fotodetector da presente invenção compreende um arranjo de fotodiodos incluindo uma pluralidade de fotodiodos individuais, um circuito de integração e retenção incluindo um capacitor e um comutador para converter corrente em tensão e um conversor analógico/digital. O número de fotodiodos que compreende o arranjo pode ser variado para alterar a sensibilidade do sistema. O circuito de integração e retenção substitui um amplificador operacional reduzindo assim o consumo de energia do dispositivo e também atua como um filtro de antisserrilhamento efetivo reduzindo, assim, o tamanho geral do sistema, visto que nenhum filtro adicional é necessário. Em outras modalidades, o circuito adicional pode ser utilizado para compensar a corrente escura ou de vazamento. O sistema de fotodetector da presente invenção proporciona baixo consumo de energia, uma ampla faixa dinâmica, rejeição a interferências e a capacidade para detectar luz visível ambiente incidente bem como luz infravermelha incidente.

[0019] O sistema de fotodetector, de acordo com a invenção atual, supera as limitações associadas à técnica anterior, conforme brevemente descrito acima. Mais especificamente, o sistema de fotodetector da presente invenção é capaz de detectar luz visível incidente e sinais de comunicação por infravermelho em uma ampla faixa dinâmica de níveis de luz ambiente e opera com energia muito baixa. O sistema de fotodetector da presente invenção é também capaz de ser mais facilmente integrado em um dispositivo oftálmico energizado como uma lente de contato tendo em vista o seu tamanho.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0020] Os recursos e as vantagens mencionados anteriormente, assim como outros da presente invenção, ficarão evidentes a partir da descrição mais específica a seguir referente às modalidades preferenciais da invenção, conforme ilustrado nos projetos anexos.

[0021] A Figura 1 ilustra uma lente de contato exemplificadora que compreende um sistema de fotodetector, de acordo com a presente invenção.

[0022] A Figura 2 é uma representação diagramática de um sistema de fotodetector, de acordo com a presente invenção.

[0023] A Figura 3 é um diagrama de temporização exemplificador dos sinais associados ao sistema de fotodetector, de acordo com a presente invenção.

[0024] A Figura 4 é uma representação gráfica de uma resposta de frequência do sistema de fotodetector, de acordo com a presente invenção.

[0025] A Figura 5 é uma representação diagramática de um sistema de fotodetector que tem cancelamento de corrente escura, de acordo com a presente invenção.

[0026] A Figura 6 é uma representação diagramática de regiões de bloqueio de luz e passagem de luz em uma matriz de circuito integrado exemplificadora, de acordo com a presente invenção.

[0027] A Figura 7 é uma representação diagramática de um elemento de inserção eletrônico exemplificador que inclui um sistema de fotodetector, posicionado em uma lente de contato energizada ou eletrônica, de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERENCIAIS

[0028] As lentes de contato convencionais são estruturas poliméri-cas com formatos específicos para corrigir vários problemas de visão, conforme resumidamente apresentado acima. Para obter a funcionalidade aperfeiçoada, vários circuitos e componentes podem ser integrados nessas estruturas poliméricas. Por exemplo, circuitos de controle, microprocessadores, dispositivos de comunicação, fontes de alimentação, sensores, atuadores, diodos emissores de luz e antenas em miniatura podem ser integrados a lentes de contato através de componentes optoeletrônicos customizados não apenas para corrigir a visão, mas para melhorar a visão e também fornecer funcionalidade adicional, tal como é explicado aqui. As lentes de contato eletrônicas e/ou energizadas podem ser projetadas para proporcionar visão intensificada através de capacidades de ampliação e redução, ou apenas simplesmente modificando as capacidades refrativas das lentes. As lentes de contato eletrônicas e/ou energizadas podem ser projetadas para melhorar a cor e a resolução, exibir informações de textura, traduzir a fala em legendas em tempo real, oferecer indicações visuais a partir de um sistema de navegação, e fornecer processamento de imagens e acesso à internet. As lentes podem ser projetadas para permitir que o usuário enxergue em condições de luz baixa. Os elementos eletrônicos e/ou arranjo de elementos eletrônicos apropriadamente projetados nas lentes podem permitir a projeção de uma imagem sobre a retina, por exemplo, sem uma lente óptica de foco variável, fornecer telas de imagens de inovações e até mesmo fornecer alarmes. Alternativamente, ou em adição a qualquer uma destas funções ou funções similares, as lentes de contato podem incorporar componentes para o monitoramento não invasivo dos biomarcadores do usuário e indicadores de saúde. Por exemplo, sensores construídos nas lentes podem permitir a um paciente diabético manter indicações sobre os níveis de açúcar sanguíneo pela análise de componentes do filme lacrimal sem a necessidade de retirar sangue. Além disso, uma lente configurada adequadamente pode incorporar sensores para o monitoramento dos níveis de colesterol, sódio e potássio, bem como outros marcadores biológicos. Isto acoplado a um transmissor de dados sem fio podería permitir a um médico ter acesso quase imediato à química do sangue do paciente sem a necessidade de o paciente perder tempo para ir a um laboratório e tirar sangue. Além disso, os sensores construídos nas lentes podem ser usados para detectar luz incidente no olho para compensar condições de luz ambiente ou para uso na determinação de padrões de piscadela.

[0029] A lente de contato energizada ou eletrônica da presente invenção compreende os elementos necessários para corrigir e/ou melhorar a visão de pacientes com um ou mais dos defeitos de visão descritos acima ou executar de outro modo uma função oftálmica útil. Além disso, a lente de contato eletrônica pode ser utilizada simplesmente para melhorar a visão normal ou fornecer uma ampla variedade de funcionalidades, conforme descrito acima. A lente de contato eletrônica pode compreender uma lente óptica de foco variável, um elemento óptico frontal incluído em uma lente de contato ou simplesmente elementos eletrônicos de inserção sem uma lente para qualquer funcionalidade adequada. A lente eletrônica da presente invenção pode ser incorporada em qualquer quantidade de lentes de contato, con- forme descrito acima. Além disso, lentes intraoculares também podem incorporar os vários componentes e funcionalidades aqui descritos. Entretanto, para facilidade de explicação, a descrição irá se concentrar em uma lente de contato eletrônica para corrigir defeitos de visão, destinada para ser descartada diariamente após uso único.

[0030] A presente invenção pode ser empregada em uma lente oftálmica energizada ou lente de contato energizada que compreende um sistema eletrônico, que atua um óptico de foco variável ou qualquer outro dispositivo ou dispositivos configurados para implementar qualquer número dentre numerosas funções que podem ser realizadas. O sistema eletrônico inclui uma ou mais baterias ou outras fontes de potência, circuitos de gerenciamento de potência, um ou mais sensores, circuitos de geração de relógio, algoritmos e circuitos de controle e circuitos de acionamento da lente. A complexidade desses componentes pode variar dependendo da funcionalidade necessária ou desejada da lente.

[0031] O controle de uma lente oftálmica eletrônica ou energizada pode ser alcançado através de um dispositivo externo operado manualmente que se comunica sem fio com a lente, como uma unidade remota portátil. Por exemplo, uma base de operação frontal pode se comunicar de modo sem fio com a lente alimentada com base na entrada manual feita pelo usuário. Alternativamente, o controle da lente oftálmica energizada pode ser alcançado através de retroinformações ou sinais de controle vindos diretamente do usuário. Por exemplo, sensores embutidos na lente podem detectar piscadas e/ou padrões de piscadas. Com base no padrão ou sequência de piscadelas, a lente oftálmica energizada pode alterar de estado, como por exemplo sua potência refrativa, a fim de ou se focar em um objeto próximo ou em um objeto distante.

[0032] Alternativamente, a detecção de piscadela em uma lente oftálmica energizada ou eletrônica pode ser usada para vários outros usos onde há interação entre o usuário e a lente de contato eletrônica, como ativação de outro dispositivo eletrônico, ou envio de um comando até outro dispositivo eletrônico. Por exemplo, a detecção de piscadela em uma lente oftálmica pode ser usada em conjunto com uma câmera em um computador, sendo que a câmera segue para onde o(s) olho(s) se movem na tela do computador, e quando o usuário executa uma sequência de piscadela que ela detecta, isto faz com que o ponteiro do mouse realize um comando, como clique duplo em um item, realçar um item, ou selecionar um item do menu.

[0033] Um algoritmo de detecção de piscadela pode ser um componente do controlador de sistema que detecta características de piscadelas, por exemplo, a pálpebra aberta ou fechada, a duração da piscadela, a duração entre uma piscadela e a outra, e o número de piscadelas em um período de tempo determinado. O algoritmo de acordo com a presente invenção conta com amostragem da luz incidente sobre o olho a uma certa taxa de amostragem. Padrões de piscadela predeterminados são armazenados e comparados ao histórico recente de amostras de luz incidente. Quando padrões combinam, o algoritmo de detecção de piscadela pode acionar uma atividade no controlador de sistema, por exemplo, para ativar o acionador da lente para alterar a potência refrativa da lente.

[0034] Piscar é o rápido fechamento e abertura das pálpebras e é uma função essencial do olho. A piscadela protege o olho de objetos estranhos, por exemplo, indivíduos piscam quando objetos aparecem inesperadamente na proximidade do olho. A piscadela fornece lubrificação sobre a superfície anterior do olho pela dispersão das lágrimas. Piscar também serve para remover contaminantes e/ou agentes irritantes do olho. Normalmente, o ato de piscar é feito automaticamente, mas estímulos externos podem contribuir, tal como no caso com agen- tes irritantes. Entretanto, a piscadela pode, também, ser proposital, por exemplo, indivíduos que são incapazes de se comunicar verbalmente ou com gestos podem piscar uma vez para sim e duas vezes para não. O algoritmo e o sistema de detecção de piscadela da presente invenção usam padrões de piscadela que não podem ser confundidos com a resposta de piscar normal. Em outras palavras, se a piscadela for utilizada como um meio para controlar uma ação, então o padrão particular selecionado para uma dada ação não pode ocorrer aleatoriamente; de outro modo, ações inadvertidas podem ocorrer. Como a velocidade da piscada pode ser afetada por inúmeros fatores, inclusive fadiga, lesão dos olhos, medicamento e doenças, os padrões de piscar de olhos para fins de controle levam em conta, de preferência, estas e quaisquer outras variáveis que afetem o piscar de olhos. O comprimento médio de piscadelas involuntárias situa-se na faixa de cerca de cem (100) a quatrocentos (400) milissegundos. Homens e mulheres adultas médias piscam a uma taxa de dez (10) piscadas involuntárias por minuto, e o tempo médio entre as piscadas involuntárias é cerca de 0,3 a setenta (70) segundos. É importante observar que a taxa de piscadas de um indivíduo pode alterar devido a outros fatores, por exemplo, diminuições das piscadelas quando um indivíduo está concentrado ou está lendo e aumenta quando um indivíduo está entediado.

[0035] No entanto, como apresentado acima, o sistema de fotode-tector da presente invenção é, de preferência, projetado para uma funcionalidade adicional além da detecção de piscadelas. Por exemplo, o sistema de fotodetector da presente invenção pode ser utilizado para detectar sinais de comunicação de luz visível e/ou de infravermelho incidentes para qualquer propósito.

[0036] A Figura 1 ilustra, em forma de diagrama de blocos, uma lente de contato energizada ou eletrônica exemplificadora 100 que compreende um sistema de fotodetector 102, um circuito de proces- sarnento de sinal 104, um controlador do sistema 106, uma fonte de energia 108 e um atuador 110. Quando a lente de contato 100 é colocada sobre a superfície frontal do olho de um usuário, o sistema de fotodetector 102 pode ser utilizado para detectar a luz ambiente, a variação nos níveis de luz incidente ou os sinais de comunicação por infravermelho. A funcionalidade e a operação de cada um dos componentes compreendendo a lente de contato energizada exemplificadora 100 são descritas abaixo.

[0037] Nesta modalidade exemplificadora, o sistema de fotodetector 102 pode ser embutido na lente de contato 100, receber luz ambiente ou infravermelha 101 e fornecer ao circuito de processamento de sinal 104 um sinal de dados 112 que tem um valor representativo da energia de luz incidente na lente de contato 100. O sistema de fotodetector 102 e o circuito de processamento de sinal 104 podem ser configurados para comunicação bidirecional. Em outras palavras, o circuito de processamento de sinal 104 pode fornecer um ou mais sinais para o sistema de fotodetector 102, exemplos os quais são apresentados subsequentemente. O circuito de processamento de sinal 104 pode ser utilizado para o processamento de sinal digital, incluindo um ou mais dentre filtragem, processamento, detecção e, de outro modo, dados de manipulação/processamento para permitir a detecção de luz incidente para uso a jusante. O circuito de processamento de sinal 104 pode ser configurado para detectar sequências predeterminadas de variação de luz indicativas de padrões de piscadela ou protocolos de comunicação por infravermelho específicos. Após a detecção de uma sequência predeterminada, o circuito de processamento de sinal 104 pode fornecer um sinal de indicação 114 ao controlador do sistema 106 e, em resposta, o controlador do sistema 106 pode atuar para alterar o estado do atuador 110, por exemplo, permitindo, desabilitando ou alterando um parâmetro operacional, como uma am- plitude ou ciclo de tarefa do atuador 110. O controlador do sistema 106 e o circuito de processamento de sinal 104 podem ser configurados para comunicação bidirecional. Em outras palavras, o controlador do sistema 106 pode fornecer um ou mais sinais para o circuito de processamento de sinal 104, exemplos os quais são apresentados subsequentemente.

[0038] O controlador do sistema 106 pode fornecer um sinal de realimentação ao sistema de fotodetector 102 para ajustar o ganho do sistema de fotodetector 102 em resposta aos níveis de luz ambiente para maximizar a faixa dinâmica do sistema.

[0039] Em algumas modalidades, o circuito de processamento de sinal 104 pode ser implementado como um circuito lógico digital e o sistema de fotodetector 102 configurado para fornecer um sinal de dados digitais 112. O controlador do sistema 106 pode ser implementado também como um circuito lógico digital e pode ser implementado como um componente separado ou integrado ao circuito de processamento de sinal 104. O circuito de processamento de sinal 104 e o controlador do sistema 106 podem ser implementados em lógica personalizada, lógica reprogramável ou um ou mais microcontroladores, como é bem conhecido aos versados na técnica. O circuito de processamento de sinal 104 e o controlador do sistema 106 podem compreender uma memória associada para manter um histórico dos valores do sinal de dados 112 ou do estado do sistema. É importante notar que qualquer arranjo e/ou configuração adequados podem ser utilizados.

[0040] Uma fonte de energia 108 fornece energia para numerosos componentes que compreendem a lente de contato 100. A energia pode ser fornecida a partir de uma batería, de um coletor de energia, ou outros meios adequados tal como é conhecido do versado na técnica. Essencialmente, qualquer tipo de fonte de energia 108 pode ser usado para fornecer energia confiável para todos os outros componentes do sistema. Uma sequência de piscadela ou um sinal de comunicação infravermelho tendo uma sequência ou valor de mensagem predeterminados pode ser utilizada para alterar o estado do sistema e/ou o controlador de sistema, como apresentado acima. Além disso, o controlador do sistema 106 pode controlar outros aspectos de uma lente de contato energizada, dependendo da entrada do processador de sinal 104, por exemplo, fazendo a alteração do foco ou da potência re-frativa de uma lente eletronicamente controlada através do atuador 110. Conforme ilustrado, a fonte de energia 108 é conectada a cada um dos outros componentes e é conectada a qualquer elemento adicional ou bloco funcional que precise de energia.

[0041] O atuador 110 pode compreender qualquer dispositivo adequado para a implementação de uma ação específica, com base no sinal de comando recebido. Por exemplo, se uma sequência de ativação de piscadela é detectada como descrito acima, o controlador do sistema 106 pode permitir que o atuador 110 controle um elemento de ótica variável de uma lente eletrônica ou energizada. O atuador 110 pode compreender um dispositivo elétrico, um dispositivo mecânico, um dispositivo magnético, ou qualquer combinação dos mesmos. O atuador 110 recebe um sinal do controlador de sistema 106 em adição à energia da fonte de energia 108 e produz alguma ação com base no sinal do controlador de sistema 106. Por exemplo, se o sinal do controlador de sistema 106 indica que o usuário está tentando se focar em um objeto próximo, o atuador 110 pode ser usado para alterar a potência refrativa da lente oftálmica eletrônica, por exemplo, através de uma zona óptica multi-líquida dinâmica. Em uma modalidade exempli-ficadora alternativa, o controlador de sistema 106 pode enviar um sinal indicando que um agente terapêutico deve ser liberado ao(s) olho(s). Nesta modalidade exemplificadora, o atuador 110 pode compreender uma bomba e um reservatório, por exemplo, uma bomba de um siste- ma microeletromecânico (MEMS). Conforme apresentado acima, a lente alimentada da presente invenção pode fornecer várias funcionalidades; consequentemente, um ou mais atuadores podem ser configurados de forma variada para implementar a funcionalidade.

[0042] A Figura 2 ilustra, em diagrama esquemático parcial, uma forma de diagrama de blocos parcial, um sistema de fotodetector 200, de acordo com uma modalidade exemplificadora da presente invenção. O sistema de fotodetector 200 compreende um arranjo de fotodi-odos 202 incluindo uma pluralidade de fotodiodos individuais, um circuito de integração e retenção 204 e um conversor analógico/digital 206 que fornece um sinal de dados de saída 208. O arranjo de fotodiodos 202 compreende um ou mais fotodiodos DG1 a DG5 tendo terminais de cátodo seletivamente acoplados a um nó de cátodo 210. Em outras modalidades exemplificadoras, o arranjo de fotodiodos 202 pode compreender fotodiodos adicionais, poucos fotodiodos ou, até mesmo, um único fotodiodo. O acoplamento seletivo é determinado por um valor de um sinal de ganho pd_gain que pode ser fornecido por um circuito de processamento de sinal, por exemplo, o circuito de processamento de sinal 104 ilustrado na Figura 1. Uma explanação detalhada da construção de fotodiodos é dada subsequentemente. Em algumas modalidades, quando um entre um ou mais fotodiodos DG1 a DG5 não é acoplado ao nó de cátodo 210, seu terminal de cátodo pode ser acoplado a um aterramento de circuito para descarregar a ca-pacitância parasita associada à junção de diodo de semicondutor. O um ou mais fotodiodos DG1 a DG5 geram fotocorrente em resposta à luz incidente 212. Os fotodiodos semicondutores de silício tipicamente geram fotocorrente tendo um valor proporcional à energia de luz incidente e também geram uma "corrente escura" devido aos mecanismos de vazamento e que estão presentes independentemente da luz incidente e podem ser proporcionais à temperatura e à tensão em todo o fotodiodo. Portanto, a corrente total gerada pelo arranjo de fotodiodos 202 compreende um componente determinado pela luz incidente 212 e um componente de corrente escura gerado pelos um ou mais fotodiodos DG1 a DG5 selecionados. Os fotodiodos semicondutores de silício compreendem, ainda, uma capacitância de junção.

[0043] O circuito de integração e retenção 204 compreende um capacitor de integração Cint, um comutador de retenção S3 e um co-mutador de pré-carga S4. O comutador de retenção S3 seletivamente acopla o nó de cátodo 210 ao capacitor de integração Cint com base em um valor de um sinal de retenção holdB. De preferência, o comutador de retenção S3 é configurado para ser fechado quando o sinal de retenção holdB apresenta um valor lógico um ou valor de tensão alto e para ser aberto quando o sinal de retenção holdB apresentar um valor lógico zero ou valor de tensão baixo. O comutador de pré-carga S4 seletivamente acopla o capacitor de integração Cint a uma tensão de referência tref com base em um valor de um sinal de pré-carga PRECHRG. De preferência, o comutador de pré-carga S4 é configurado para ser fechado quando o sinal de pré-carga PRECHRG apresenta um valor lógico um ou valor de tensão alto e para ser aberto quando o sinal de pré-carga PRECHRG apresenta um valor lógico zero ou valor de tensão baixo. O capacitor de integração Cint é acoplado, ainda, a um nó de tensão de saída integrado lnt_tout. Em funcionamento, o capacitor de integração Cint é pré-carregado para a tensão de referência tref e, então, integra a corrente drenada pelo arranjo de fotodiodos 202 para desenvolver uma tensão de saída integrada lnt_tout.

[0044] O conversor analógico/digital 206 é configurado para receber a tensão desenvolvida no capacitor de integração Cint e fornecida no nó de tensão de saída integrado lnt_tout e fornecer um valor de saída digital Dout representativo da tensão de saída integrada. O conversor analógico/digital 206 pode ser configurado para receber um si- nal habilitado adc_en_rst. Em algumas modalidades exemplificadoras, o conversor analógico/digital 206 é configurado para ser reajustado quando adc_en_rst apresenta um valor lógico zero, e para começar uma operação de conversão quando adc_en_rst realiza a transição para um valor lógico um.

[0045] Nesta modalidade exemplificadora, o sinal de ganho pd_gain é um sinal digital de cinco bits, indicado pd_gain <4:0>, o qual permite que a fotocorrente total gerada pelo arranjo de fotodiodos 202 seja apropriadamente escalada para acomodar a intensidade de luz incidente. Ainda nesta modalidade exemplificadora, os fotodiodos DG1, DG2, DG3, DG4 e DG5 compreendem 1, 7, 56, 448 e 3584 elementos de fotodiodo, respectivamente. Com intensidade de luz incidente muito alta, a fotocorrente de apenas um cátodo de elemento de fotodiodo (DG1) pode sair para o integrador com todos os cátodos restantes aterrados. Sob intensidade de luz mais baixa, ambos os fotodiodos DG1 e DG2 podem ser selecionados fornecendo oito vezes a sensibilidade do fotodiodo DG1. Igualmente para as intensidades progressivamente mais baixas, a seleção de fotodiodos DG1, DG2 e DG3 fornece 64 vezes a sensibilidade do fotodiodo DG1 e a seleção dos grupos de fotodiodo DG1 até DG4 fornece 512 vezes a sensibilidade de fotodiodo DG1. Nas intensidades de luz mais baixas utilizáveis, a seleção dos fotodiodos DG1 a DG5 fornece 4096 vezes a sensibilidade de fotodiodo selecionando todos os 4096 elementos de fotodiodo no arranjo. Isto permite o controle digital por meio do sinal de ganho pd_gain da sensibilidade do arranjo de fotodiodos 202 em uma faixa de 72 dB.

[0046] A Figura 3 ilustra um diagrama de temporização de uma sequência de integração e conversão do sistema de fotodetector exemplificador 200 ilustrado na Figura 2. Primeiro, no tempo indicado pelo numeral 301, o sinal de retenção holdB é ajustado para um valor alto de tensão aproximando-se ao comutador de retenção S3 e, desse modo, acoplando o capacitor de integração Cint ao nó de cátodo 210 e ao arranjo de fotodiodos 202. Então, em 302, o sinal de pré-carga PRECHRG é ativado, fechando o comutador de pré-carga S4 e acoplando o capacitor de integração Cint, o nó de cátodo 210 e a capaci-tância de junção do um ou mais fotodiodos DG1 a DG5 selecionados para a tensão de referência tref. É importante observar que embora a tensão no capacitor de integração Cint, conforme ilustrado no traço indicado com Int tout, seja mostrada como um valor constante antes do tempo 302, a tensão pode ser algum valor razoável conforme determinado pela luz incidente no sistema de fotodetector (Figura 2), tempo decorrido desde as ações anteriores e as outras funções similares como é entendido pelos versados na técnica. A seguir em 303, o sinal de pré-carga PRECHRG é desativado, desconectando a tensão de referência tref e permitindo que a corrente drenada pelo arranjo de fotodiodos 202 descarregue o capacitor de integração Cint. Após um tempo de integração, Tint, o sinal de retenção holdB é ajustado para um valor de baixa tensão em 304, abrindo o comutador de retenção S3. Então, em 305, o sinal habilitado adc_en_rst é direcionado para um valor lógico zero e, subsequentemente, para um valor lógico um para iniciar uma operação de conversão. Após um tempo de conversão, Tadc, o valor de saída digital Dout apresenta um novo valor representativo de tensão integrada Vint. Nesta modalidade exemplificadora, a tensão de integração é representada pela diferença entre a tensão de referência tref e a tensão no capacitor de integração Cint fornecida no nó de tensão de saída integrado lnt_tout.

[0047] Cada um entre o um ou mais fotodiodos DG1 a DG5 pode ser modelado como uma fonte de corrente. A corrente total gerada pelo arranjo de fotodiodos 202 pode ser integrada com o capacitor de integração Cint. Nenhum amp-op é necessário na cadeia de sinal que, por sua vez, possibilita a dissipação de energia muito baixa. Ao término do tempo de integração, Tint, a tensão resultante na saída do integrador é dada por (1) [0048] onde Tint é o período de integração e IPD é a corrente total gerada pelo arranjo de fotodiodos 202. Como visto a partir desta equação, uma resistência equivalente, Rgain, que determina o ganho de trans-resistência e que transforma a corrente de entrada para a tensão de saída, é determinada por (2) [0049] Como pode ser visto a partir da equação 2, Rgain está diretamente proporcional a Tint e inversamente proporcional a Cint. Para propósitos deste debate, pode-se considerar como sendo um resistor variável no tempo. Assim, por exemplo, para aumentar o ganho, podemos aumentar o intervalo de integração Tint e/ou reduzir o capacitor de integração Cint. Portanto, um valor de ganho mais alto pode ser obtido com um capacitor menor e, consequentemente, traduz-se para um tamanho menor de matriz, uma vez mais, um parâmetro de design preferível. Para ajustar o ganho, pode-se, portanto, ligar ou desligar a capacitância adicional e/ou alterar o tempo de integração Tint, por exemplo, por meio de controle digital.

[0050] Observa-se que valores extremamente grandes para Rgain podem ser obtidos com uma área muito pequena e, desse modo, o circuito da presente invenção é adequado para a integração em uma matriz semicondutora e para o uso em um dispositivo biomédico como uma lente de contato energizada. Por exemplo, com Cint = 1 pF e Tint = 100 mS, o Rgain = 100 GQ, que pode ser obtido em uma área de apenas aproximadamente 14 pm x 14 pm em um processo típico de semicondutor de óxido de metal complementar (SOMC) de 0,18 pm.

[0051] A tensão provida no nó de tensão de saída integrado Int tout (equação 1) é depois digitalizada pelo conversor analógi-co/digital 206. Uma saída de escala total do conversor analógico/digital corresponde a Vint = tref e para uma tensão de 0 V no nó de tensão de saída integrado Int tout, e corresponde a um IPD(FS) de fotocorrente de escala completa dado por . . (3) [0052] Uma resposta ao impulso variando periodicamente no tempo que corresponde à operação de integração e de retenção pode ser descrita pela resposta ao impulso variável no tempo h(T,t), em que ■ (4) [0053] ao longo do intervalo (A/-1)T/nt<f <(N-Tint),N =1,2,3,....

[0054] A equação 4 dá a resposta de impulso h{r,t) no tempo t, onde N é um número inteiro que representa um intervalo de tempo de integração dado. A equação 4 mostra que a resposta de impulso variável no tempo é um pulso cuja largura aumenta linearmente com t até t=Tint- Então, em t=Tint, a largura do pulso na resposta de impulso cai de volta à largura zero (se for reajustado) e começa a aumentar novamente até t=2Tint (é periódico, com período = Tint). O sinal de mais, +, em t=Tint+ destina-se a indicar que o cálculo inicia-se no instante após t=Tjnt· [0055] Ao término de cada intervalo de integração, temos t=N*Tint (N =1,2,3,...) e a partira da equação 4, a resposta de impulso é dada por (5) [0056] A função de transferência da transformada de Laplace da resposta de impulso ao término de cada intervalo de integração (equação 5) é dada por (6) [0057] Deixando S = \2ττ1 na equação 6 e, então simplificando, resulta na transformada de Fourier da operação de integração e reten- ção que é dada por (7) [0058] Como pode ser visto a partir da equação 7, a magnitude de resposta de frequência resultante é inversamente proporcional à frequência, f (que fornece atenuação de 20 dB/dec), e é pontuado pelos zeros periódicos (entalhes).

[0059] A Figura 4 ilustra a magnitude da resposta de frequência versus a frequência por um tempo de integração Tint de 0,1 se tendo zeros periódicos (entalhes) a múltiplos de 10 Hz. Será considerado que a resposta de frequência normalizada da equação 7 é dependente de Cjnt- Isto é, a frequência de canto e a forma da resposta de frequência são independentes de Cint, e dependem apenas do comprimento do intervalo de integração, Tint.

[0060] Como pode ser visto na equação, a fase da resposta de frequência é perfeitamente linear com um atraso dado por (8) [0061] Os entalhes periódicos ocorrem em frequências, fN, que são determinadas por (9) [0062] onde N=1, 2, 3....

[0063] Selecionando-se a seleção da frequência de amostra de ADC como (10) [0064] A resposta de frequência ilustrada na Figura 4 com Tint = 0,1 s (fs=10 Hz), tem uma frequência de canto a 3 dB de 4,4 Hz, transitando para um primeiro entalhe (atenuação infinita) a 10 Hz. A operação de integração e retenção serve, portanto, como um filtro antis-serrilhamento muito efetivo, atenuando muito rapidamente as frequências acima da frequência de Nyquist (fs/2). Nenhum circuito de filtro antisserrilhamento adicional é exigido em muitas aplicações de comu- nicação por luz ambiente ou por infravermelho, desse modo, minimizando a área exigida para o sistema de fotodetector da presente invenção.

[0065] Os entalhes periódicos também se estendem para múltiplos de frequências de linha CA (50 Hz ou 60 Hz). Isto tem o benefício agregado de rejeição à cintilação de luz fluorescente adicional além dos já aproximadamente 30 dB de rejeição a 100 Hz ou 120 Hz resultantes da atenuação de 20 dB/dec acima do canto de 4,4 Hz. Outra escolha para Tint=1/Fs é 83,33...ms fornecendo entalhes em múltiplos de 12 Hz e uma frequência de canto a -3 dB de 5,33 Hz.

[0066] A corrente total requerida para a função de integração e reinicialização é dada pela corrente requerida para pré-carregar Cint para tref a cada período ou ciclo de amostragem. A corrente média que assume o capacitor de integração CmX é descarregada por completo a cada ciclo e é dada por (11) [0067] A título de ilustração, para um sistema de fotodetector que tem tref = 1,8 V, Cint= 145 pF e Tint=100 mS, a corrente média é lavg = 2,6 nA (nominal) para o integrador. Isso pressupõe que Cint é completamente descarregado pela corrente de fotodiodo a cada período ou ciclo de amostragem. Será compreendido que a corrente de alimentação média é igual à corrente total média gerada pelo arranjo de foto-diodos 202.

[0068] A dissipação de energia mais baixa, todavia, requer corrente mais baixa gerada pelo arranjo de fotodiodos 202 e um valor menor do capacitor de integração Cint para uma transição de escala completa durante o tempo de integração Tint. No geral, o design menor com energia ideal mais baixa pode ter um arranjo de fotodiodos 202 compreendendo junções de fotodiodo de tamanho mínimo e um pequeno capacitor de integração Cint. Conforme será compreendido pelos ver- sados na técnica, os tamanhos menores podem ser limitados pelas interferências de amostragem, injeção de carga do comutador e outras considerações relacionadas a não idealidades de circuito e de dispositivo.

[0069] A Figura 5 ilustra, parte em diagrama esquemático, parte em diagrama de blocos, um sistema de fotodetector 500 que tem cancelamento de corrente escura, de acordo com outra modalidade exemplificadora da presente invenção. O sistema de fotodetector 500 compreende um arranjo de fotodiodos 502 que compreende fotodiodos DG1 a DG5 acoplados a um primeiro nó de cátodo 504, um primeiro circuito de integração e retenção 506, um arranjo de fotodiodos escuro 508 acoplado a um segundo nó de cátodo 510, um segundo circuito de integração e retenção 512, um comutador de seleção de entrada 514, um conversor analógico/digital 516, um primeiro registro 518, um segundo registro 520 e um subtrator 522 que fornece um sinal de dados de saída 524. O arranjo de fotodiodos 502 e o circuito de integração e retenção 506 opera para desenvolver uma primeira tensão integrada lnt_tout de uma maneira similar ao arranjo de fotodiodos 202 e ao circuito de integração e retenção 204, respectivamente, do sistema de fotodetector 200 descrito acima com respeito à Figura 2.

[0070] Conforme apresentado acima, os fotodiodos semicondutores de silício geram uma corrente escura devido a mecanismos de vazamento e que estão presentes independentemente da luz incidente e podem ser proporcionais à temperatura e à tensão ao longo dos fotodiodos. Consequentemente, um arranjo de fotodiodos de corrente escura é utilizado para compensar, conforme descrito em detalhes subsequentemente. O arranjo de fotodiodos de corrente escura 508 compreende um ou mais fotodiodos DG1a a DG5a que tem terminais de cátodo seletivamente acoplados a um nó de cátodo 510. De uma maneira similar aos arranjos de fotodiodo 202 e 502, o acoplamento sele- tivo no arranjo de fotodiodos de corrente escura 508 é determinado por um valor de um sinal de pd_gain que pode ser fornecido por um circuito de processamento de sinal. Em algumas modalidades exemplifica-doras, quando um do um ou mais fotodiodos DG1a a DG5a não é/são acoplado(s) ao segundo nó de cátodo 510, seu terminal de cátodo pode ser acoplado a um aterramento do circuito para descarregar a ca-pacitância parasita associada à junção de diodo semicondutor. O um ou mais fotodiodos DG1a a DG5a são cobertos com uma camada de bloqueio de luz, como uma camada metálica, de modo que eles não gerem fotocorrente em resposta à luz incidente 526. No entanto, qualquer camada ou revestimento de bloqueio de luz adequada(o) pode ser utilizada(o). Portanto, a corrente total gerada pelo arranjo de fotodiodos escuro 508 compreende apenas um componente de corrente escura ou de vazamento gerado pelo(s) um ou mais fotodiodos DG1a a DG5a selecionado(s). Será compreendido pelos versados na técnica que se os fotodiodos DG1a a DG5a e DG1 a DG5 forem fabricados juntos, por exemplo, na mesma pastilha de silício e, se os fotodiodos correspondentes (DG1 e DG1a, DG2 e DG2a etc.) tiverem as mesmas dimensões ativas e área, aquelas correntes escuras geradas pelos fotodiodos DG1a a DG5a são bem parecidas em magnitude com as correntes escuras geradas pelos fotodiodos DG1 a DG5 do arranjo de fotodiodos 502.

[0071] O segundo circuito de integração e retenção 512 compreende um segundo capacitor de integração Cinta, um segundo comu-tador de retenção S3a e um segundo comutador de pré-carga S4a. O segundo comutador de retenção S3a seletivamente acopla o segundo nó de cátodo 510 ao segundo capacitor de integração Cinta com base em um valor de um sinal de retenção holdB. De preferência, o segundo comutador de retenção S3a é configurado para ser fechado quando o sinal de retenção holdB apresentar um valor lógico um ou de tensão alta para ser aberto quando o sinal de retenção holdB apresentar um valor lógico zero ou de tensão baixa. O segundo comutador de pré-carga S4s seletivamente acopla o segundo capacitor de integração Cinta a uma tensão de referência tref com base em um valor de um sinal de pré-carga PRECHRG. Preferencialmente, o segundo comutador de pré-carga S4a é configurado para ser fechado quando o sinal de pré-carga PRECHRG apresentar um valor lógico um ou de tensão alta para ser aberto quando o sinal de pré-carga PRECHRG apresentar um valor lógico zero ou de tensão baixa. O segundo capacitor de integração Cinta é acoplado, ainda, a um nó de tensão de saída integrada lnt_tout. Em funcionamento, o segundo capacitor de integração Cinta é pré-carregado para tensão de referência tref e, então, integra a corrente drenada pelo arranjo de fotodiodos escuro 506 para desenvolver uma segunda tensão de saída integrada lnt_touta.

[0072] O comutador de seleção de entrada 514 é configurado para acoplar, de modo seletivo, qualquer uma da primeira tensão de saída integrada lnt_tout ou da segunda tensão de saída integrada lnt_touta a uma entrada do conversor analógico/digital 516. O acoplamento seletivo pode ser determinado com base em um sinal de controle de seleção, sei, fornecido por um circuito ou controlador de processamento de sinal.

[0073] O conversor analógico/digital 516 é configurado para receber a tensão seletivamente acoplada pelo comutador de seleção de entrada 514 e fornecer um valor de saída digital. Nesta modalidade exemplificadora, o conversor analógico/digital 516 seletivamente armazena o valor de saída digital que corresponde à tensão de saída integrada lnt_tout no primeiro registro 518 e o valor de saída digital que corresponde à tensão de saída integrada lnt_touta no segundo registro 520. O armazenamento seletivo pode ser determinado com base no sinal de controle de seleção, sei. O conversor analógico/digital 516 pode ser configurado para receber um sinal habilitado adc_en_rst. Em algumas modalidades exemplificadoras, o conversor analógi-co/digital 516 é configurado para ser reajustado quando adc_en_rst apresenta um valor lógico zero e começa uma operação de conversão quando adc_en_rst muda para um valor lógico um. O subtrator 522 gera o sinal de dados de saída 524 com base em uma diferença entre os valores mantidos no primeiro registro 518 e no segundo registro 520. Desta maneira, o sinal de dados de saída 514 representa a foto-corrente integrada do arranjo de fotodiodos 502 e a diferença nas correntes escuras entre o arranjo de fotodiodos 502 e o arranjo de fotodiodos escuro 508. Se as correntes escuras forem bem parecidas em magnitude e se os tempos de integração forem iguais, então a diferença nas correntes escuras será quase zero e, desse modo, o sinal de dados de saída 514 representará a fotocorrente integrada do arranjo de fotodiodos 502.

[0074] De uma maneira similar à descrita para o sistema de foto-detector 200, em intensidade de luz muito baixa, todos os 4096 fotodiodos nos arranjos de fotodiodos 502 e 508 podem ser selecionados por meio de um controle de ganho de 5 bits pd_gain<4:0>. Isso propicia a área de junção máxima para geração de fotocorrente, o que fornece a mais alta fotossensibilidade, mas também gera a mais alta corrente escura. Para uma relação sinal/ruído melhorada (RSR), ou uma relação fotocorrente/corrente escura, o sistema de fotodetector 500 mede e cancela, matematicamente, o componente indesejado de corrente escura, à medida que o arranjo de fotodiodos 502 e o arranjo de fotodiodos escuro 508 e o primeiro circuito de integração e retenção 506 e o segundo circuito de integração e retenção 512, respectivamente, se igualam.

[0075] A Figura 6 ilustra características exemplificadoras de bloqueio de luz e passagem de luz em uma matriz de circuito integrado 600. A matriz de circuito integrado 600 compreende uma região de passagem de luz 602, uma região de bloqueio de luz 604, blocos de ligação 606, aberturas de passivação 608 e aberturas de camada de bloqueio de luz 610. A região de passagem de luz 602 fica localizada acima do arranjo ou arranjos de fotodiodos (não ilustrados), por exemplo, um arranjo de fotodiodos implementados no processo de semicondutor. Em uma modalidade exemplificadora preferencial, a região de passagem de luz 602 permite que o máximo de luz possível alcance os fotodiodos, maximizando assim a sensibilidade. Pode-se realizar isso mediante a remoção das camadas de polissilício, metal, óxido, nitreto, poli-imida e outras camadas acima do arranjo ou arranjos de fotodiodos, como permitido no processo de semicondutor utilizado para a fabricação ou no processamento posterior. A área de passagem de luz 602 também pode receber outros processamentos especais para otimizar a detecção de luz, por exemplo, um revestimento, filtro e/ou difusor antirreflexivos. A região de bloqueio de luz 604 pode cobrir outros circuitos na matriz que não necessitam de exposição à luz. O desempenho do outro circuito pode ser degradado pelas fotocorrentes, por exemplo, inconstantes tensões de impulsão e frequências de oscilador nos circuitos de corrente ultrabaixa necessários para a incorporação nas lentes de contato, conforme previamente mencionado. A região de bloqueio de luz 604 é formada, de preferência, com um material fino, opaco, por exemplo, alumínio, cobre ou titânio, já usado no processamento de pastilha semi-condutora e no processamento posterior. Se for implementado com metal eletricamente condutivo, o material que forma a região de bloqueio de luz 604 deve ser isolado dos circuitos na parte inferior e dos blocos de ligação 606 para impedir as condições de curto-circuito. Tal isolamento pode ser fornecido pela passivação já presente na matriz como parte da passivação de pastilha normal, por exemplo óxido, nitreto, e/ou poli-imida, ou com outro dielétrico adicionado durante processamento posterior. O mascaramento permite aberturas na camada de bloqueio de luz 610, de modo que o metal de bloqueio de luz condutivo não sobrepõe as áreas de ligação na matriz. A região de bloqueio de luz 604 está coberta com dielétrico ou passivação adicionais para proteger a matriz e evitar curtos-circuitos durante fixação da matriz. Esta passivação final tem aberturas de passivação 608 para permitir a conexão aos blocos de ligação 606.

[0076] A Figura 7 ilustra uma lente de contato exemplificadora com um elemento de inserção eletrônico que compreende um sistema de detecção de piscadela, de acordo com a presente invenção. A lente de contato 700 compreende uma porção de plástico macio 702 que compreende um elemento de inserção eletrônico 704. Este elemento de inserção 704 inclui uma lente 706 que é ativada pelo circuito eletrônico, por exemplo, focalizando próximo ou longe dependendo da ativação. O circuito integrado 708 se apoia sobre o elemento de inserção 704 e se conecta às baterias 710, à lente 706, e a outros componentes, conforme for necessário para o sistema. O circuito integrado 708 inclui um arranjo de fotodiodos 712 e circuitos associados de trajetória de sinal do fotodetector. O arranjo de fotodiodos 712 fica voltado para fora através do elemento de inserção da lente e longe do olho e é, desse modo, capaz receber a luz ambiente. O arranjo de fotodiodos 712 pode ser implementado no circuito integrado 708 (conforme mostrado) por exemplo, como um único fotodiodo ou arranjo de fotodiodos. O arranjo de fotodiodos 712 pode ser também implementado como um dispositivo separado montado no elemento de inserção 704 e conectado com traços elétricos 714. Quando a pálpebra se fecha, o elemento de inserção da lente 704, inclusive o fotodetector 712 é coberto, reduzindo assim o nível de luz incidente sobre o fotodetector 712. O fotodetector 712 é capaz de medir a luz ambiente e/ou a luz infravermelha.

[0077] Considerações adicionais do sistema de fotodetector da presente invenção permitem redução adicional na área requerida, no volume ou no custo do sistema de fotodetector e nas lentes oftálmicas energizadas ou eletrônicas às quais o sistema pode ser incorporado.

[0078] As capacitâncias de integração Cint podem ser formadas, em parte, por uma capacitância de entrada do conversor analógi-co/digital, como um arranjo do capacitor de DAC de realimentação em um conversor analógico/digital com aproximação sucessiva (SAR ADC). Observar que isso se aplicaria, no caso das modalidades exemplificadoras descritas na Figura 5, se os períodos de integração para os dois arranjos de fotodiodo não forem simultâneos.

[0079] No sistema de fotodetector da Figura 5, um conversor analógico/digital único é usado para a conversão de duas quantidades. Uma modalidade alternativa pode utilizar dois conversores analógico/digital, mas ao fazer uso de um possibilita o cancelamento de qualquer offset inerente no próprio conversor analógico/digital enquanto que um sistema com dois conversores analógico/digital teria um offset residual correspondendo à desigualdade de offsets entre os conversores.

[0080] De preferência, os arranjos de fotodiodos são implementados em uma tecnologia CMOS para aumentar a habilidade de integração e reduzir o tamanho total do sistema de fotodetector e do circuito de processamento de sinal, e de controlador do sistema. Preferencialmente, o sistema de fotodetector, o circuito de processamento de sinal e o circuito de controlador do sistema são integrados juntos em uma única matriz de silício, reduzindo a área requerida na lente oftálmica energizada ou eletrônica para os traços de interconexão e na matriz para os blocos de ligação ou de batente.

[0081] Será compreendido pelos versados na técnica que o arranjo de fotodiodos pode compreender menos fotodiodos quando uma faixa dinâmica menor for exigida. Por exemplo, em algumas modalidades, um arranjo de fotodiodos que compreende um único fotodiodo pode ser suficiente. Os fotodiodos podem compreender um único elemento de fotodiodo. No entanto, o melhor escalonamento de ganho pode ser obtido implementando os fotodiodos maiores com vários elementos de fotodiodo interconectados (por exemplo, em paralelo) de um design comum (dimensões, área, tipos de difusão).

[0082] Embora mostrado e descrito em relação ao que se acredita serem as modalidades mais práticas e preferenciais, é óbvio que divergências de projetos e métodos específicos descritos e mostrados serão sugeridos por aqueles versados na técnica e podem ser usados sem que se desvie do espírito e do âmbito da invenção. A presente invenção não se restringe às construções específicas descritas e ilustradas, mas deve ser interpretada de modo coeso com todas as modificações que possam se enquadrar no escopo das reivindicações.

REIVINDICAÇÕES

Claims (13)

1. Dispositivo oftálmico energizado, caracterizado pelo fato de compreender: um primeiro sensor incluindo um ou mais fotodiodos que produzem uma primeira corrente de saída; e um primeiro integrador que recebe a primeira corrente de saída e converte a mesma em uma primeira tensão de saída, em que o primeiro integrador compreende um primeiro comutador e um primeiro capacitor, e é configurado para integrar a primeira corrente de saída em um período de tempo de integração predeterminado.

2. Dispositivo oftálmico energizado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um componente da primeira corrente de saída dos fotodiodos é proporcional à luz incidente.

3. Dispositivo oftálmico energizado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o período de tempo de integração predeterminado é uma função de um período de um sinal inde-sejado.

4. Dispositivo oftálmico energizado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender, ainda, uma fonte de tensão de referência, e em que o primeiro comutador é configurado para o acoplamento seletivo do primeiro capacitor à fonte de referência de tensão.

5. Dispositivo oftálmico energizado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro sensor é adicionalmente configurado para primeiramente fechar o primeiro comutador para pré-carregar o primeiro capacitor durante um intervalo de tempo de pré-carga e, então, para secundariamente abrir o primeiro comutador durante um período de tempo de integração predeterminado.

6. Dispositivo oftálmico energizado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o um ou mais fotodiodos são seletivamente acoplados ao primeiro capacitor de modo que o ganho e/ou a sensibilidade do primeiro sensor possam ser variados.

7. Dispositivo oftálmico energizado, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o acoplamento seletivo do um ou mais fotodiodos é baseado em uma função da tensão de saída.

8. Dispositivo oftálmico energizado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro integrador compreende, ainda, um segundo comutador configurado para seletivamente acoplar o capacitor a um ou mais fotodiodos de modo que a tensão de saída do integrador seja retida durante um período de tempo de retenção predeterminado.

9. Dispositivo oftálmico energizado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende um conversor analógico/digital configurado para receber a primeira tensão de saída e fornecer um sinal de saída digital com base na primeira tensão de saída.

10. Dispositivo oftálmico energizado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende um segundo sensor contendo um ou mais fotodiodos que produzem uma segunda corrente de saída; um segundo integrador que recebe a segunda corrente de saída e converte a mesma em uma segunda tensão de saída, em que o segundo integrador compreende um terceiro comutador e um segundo capacitor, e é configurado para integrar a segunda corrente de saída no período de tempo de integração predeterminado; e um elemento de bloqueio de luz configurado para substancialmente bloquear toda a luz incidente de alcançar o segundo sensor.

11. Dispositivo oftálmico energizado, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: um primeiro comutador de tensão de saída configurado para seletivamente acoplar a primeira tensão de saída ao conversor ana-lógico/digital; um primeiro registro digital configurado para seletivamente receber uma saída digital do conversor analógico/digital ou reter um valor armazenado, o valor armazenado sendo com base na saída digital do conversor analógico/digital em um momento anterior; um segundo comutador de tensão de saída configurado para o acoplamento seletivo da segunda tensão de saída ao conversor analógico/digital; e um subtrator digital acoplado ao primeiro registro digital e ao conversor analógico/digital.

12. Dispositivo oftálmico energizado, caracterizado pelo fato de compreender: um primeiro sensor incluindo um ou mais fotodiodos que produzem uma primeira corrente de saída; um primeiro integrador que recebe a primeira corrente de saída e converte a mesma em uma primeira tensão de saída para uso a jusante, em que o primeiro integrador compreende um primeiro comutador e um primeiro capacitor e é configurado para integrar a primeira corrente de saída em um período de tempo de integração predeterminado; e uma fonte de tensão de referência, em que o primeiro comutador é configurado para o acoplamento seletivo do primeiro capacitor à fonte de referência de tensão; em que um componente da primeira corrente de saída dos fotodiodos é proporcional à luz incidente, o período de tempo de integração predeterminado é uma função de um período de um sinal indesejado, o primeiro sensor é adicionalmente configurado para fechar, primeiramente, o primeiro comutador para pré-carregar o primeiro capacitor durante um intervalo de tempo de pré-carga e, então, secundariamente, para abrir o primeiro comutador durante um período de tempo de integração predeterminado, e o um ou mais fotodiodos são seletivamente acoplados ao primeiro capacitor de modo que o ganho e/ou a sensibilidade do sensor possam ser variados.

13. Dispositivo sensível à luz, caracterizado pelo fato de compreender: um primeiro sensor incluindo um ou mais fotodiodos que produzem uma primeira corrente de saída; e um primeiro integrador que recebe a primeira corrente de saída e converte a mesma em uma primeira tensão de saída, em que o primeiro integrador compreende um primeiro comutador e um primeiro capacitor, e é configurado para integrar a primeira corrente de saída em um período de tempo de integração predeterminado.