CN103558723A - 用于可变光学电子式眼科透镜的系统控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于眼科透镜的系统控制器，所述眼科透镜包括致动可变焦光学器件的电子系统。所述系统控制器是结合到眼科透镜中的电子系统的一部分。所述电子系统包括一个或多个电池或其它电源、电力管理电路、一个或多个传感器、时钟产生电路、控制算法和电路、以及透镜驱动电路。所述控制器包括被配置为数字逻辑门的多个状态机。

Description

用于可变光学电子式眼科透镜的系统控制器

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求2012年4月3日提交的美国临时专利申请No.61/619,727和2012年4月3日提交的美国临时专利申请No.61/619,655的权益。

背景技术

1.技术领域

本发明涉及一种可变光学动力的或电子式眼科透镜，并且更具体地涉及一种用于控制可变光学电子式眼科透镜的系统控制器。

2.背景技术

随着电子装置持续小型化，变得越来越有可能产生用于多种用途的可佩戴的或可嵌入的微电子装置。此类用途可包括监视身体化学性质的各方面、响应于测量或者响应于外部控制信号经由各种机构(包括自动地)施用受控剂量的药物或治疗剂、以及增强器官或组织的性能。此类装置的例子包括葡萄糖输注泵、起搏器、去纤颤器、心室辅助装置和神经刺激器。一种新型特定有用于应用领域的是眼科可佩戴透镜和接触透镜。例如，可佩戴透镜可结合透镜组件，该透镜组件具有电子可调节焦点，以增强或提高眼的性能。在另一个实例中，无论具有还是不具有可调节焦点，可佩戴接触透镜都可结合电子传感器，以检测角膜前(泪液)膜中特定化学物质的浓度。在透镜组件中使用嵌入式电子器件引起对与电子器件通信、通电和/或重新激活电子器件的方法、将电子器件互连、内部和外部感测和/或监视，以及电子器件和透镜总体功能的控制的潜在需求。

人眼具有辨别百万种颜色、易于调节以改变光条件、以及以超过高速互联网连接的速率将信号或信息传输给大脑的能力。当前，诸如接触透镜和眼内透镜的透镜用于矫正视力缺陷，例如近视(近视眼)、远视(远视眼)、老花和散光。然而，结合附加组件的经适当地设计的透镜可用于提高视力以及矫正视力缺陷。

接触透镜可用于矫正近视、远视、散光以及其它视敏度缺陷。接触透镜还可用于增强佩戴者眼的自然外观。接触透镜或“触体”仅是放置在眼前表面上的透镜。接触透镜被视为医疗装置并且可被佩戴以矫正视力和/或用于美容或其它治疗原因。自20世纪50年代起，市场上就可购买到改善视力的接触透镜。早期的接触透镜由硬性材料制成或加工成形，相对较为昂贵并且脆弱。此外，这些早期的接触透镜由如下材料加工成形，所述材料不允许足够的氧气穿过接触透镜传输到结膜和角膜，这可潜在地引起许多不良临床效应。尽管仍使用这些接触透镜，但它们因其不良的初始舒适度而并不适用于所有患者。该领域的后续发展产生了基于水凝胶的软性接触透镜，所述软性接触透镜在当今极为流行且被广泛利用。具体地，当今可用的有机硅水凝胶接触透镜将具有极高透氧度的有机硅的有益效果与水凝胶的经证实的舒适度和临床性能结合在一起。事实上，这些基于有机硅水凝胶的接触透镜比早期由硬性材料制成的接触透镜具有更高的透氧度并且通常具有更高的佩戴舒适度。

常规的接触透镜为具有特定形状的聚合物结构，以如上所简述的矫正各种视力问题。为了获得提高的功能性，必须将各种电子电路和组件集成到这些聚合物结构中。例如，控制电路、微处理器、通信装置、电源、传感器、致动器、发光二极管和微型天线可经由定制构建的光电组件集成到接触透镜中，从而不仅矫正视力，还提高视力，以及提供如本文所解释的附加的功能。电子式和/或动力式接触透镜可经设计用以经由放大和缩小能力或者仅简单地改变透镜的折射能力而提供提高的视力。电子式和/或动力式接触透镜可经设计用以提高颜色和分辨率、显示纹理信息、将语音实时转换为字幕、提供导航系统的视觉提示、以及提供图像处理和互联网接入。透镜可经设计用以允许佩戴者在低光条件下视物。透镜上经适当地设计的电子器件和/或电子器件布置可允许例如在没有可变焦光学透镜的情况下将图像投射到视网膜上，提供新型图像显示，并且甚至提供唤醒警示。作为另一种选择或者除了这些功能或类似功能中任一种之外，接触透镜可结合用于非入侵性监视佩戴者的生物标记物的组件和健康指示器的组件。例如，通过分析泪液膜的成分，内置于透镜中的传感器可允许糖尿病患者监视血糖水平，而不需要抽血。此外，适当地配置的透镜可结合用于监视胆固醇、钠和钾水平的传感器以及其它生物标记物。这与无线数据发送器联接可允许医师几乎立即得到患者的血液化学性质，而不需要患者浪费时间去实验室进行抽血。另外，内置于在透镜中的传感器可用于检测入射在眼上的光以补偿环境光条件或在确定眨眼模式中使用。

装置的适当组合可产生可能无限制的功能性；然而，存在许多与将额外组件结合在光度聚合物部件上相关联的困难。通常，由于多种原因难以在透镜上直接制造此类组件，以及难以将平面装置安装和互连在非平面表面上。还难以按比率进行制造。待放置在透镜上或透镜中的组件需要小型化且集成到仅1.5平方厘米(假定透镜半径为7mm)的透明聚合物上，同时保护这些组件不受眼上液体环境的影响。由于附加组件的增加的厚度还难以制备对佩戴者而言舒适且安全的接触透镜。

更具体地，1.5平方厘米的透明聚合物代表了接触透镜的整个面积。在某些示例性实施例中，优选的是电子器件位于透镜的周边中并且位于光学区之外。使用薄膜材料或透明硅的替代的示例性实施例也是可能的。在上述例子中，如果中心八(8)毫米直径部分(4毫米半径)留作光学区，那么至多一(1)平方厘米的区域留给电子器件。未来设计可提供甚至更少的区域给电子器件，例如，可能出现具有孔环的设计，该孔环约0.17平方厘米(17平方毫米)，不包括可变焦光学器件。这意味着，给定管芯上最多仅有1.26平方毫米的IC模区可用于工作。换句话讲，本发明需要的是空前尺度的设计和构型。

考虑到诸如接触透镜的眼科装置的面积和体积限制以及其使用环境，装置的物理实现必须克服多个问题，包括将多个电子组件安装和互连在非平面表面上，大多数电子组件包含光学塑料。因此，需要提供机械稳固和电稳固的电子式接触透镜。

因为这些是动力式透镜，所以用以运行电子器件的能量或更具体地电流和功耗关系到眼科透镜尺度上的电池技术。除了正常电流消耗之外，此类动力式装置或系统通常需要待机电流储备、确保在可能的各种操作参数下操作的精确的电压控制和转换能力、以及应对可能保持多年闲置后的突发消耗(例如，单次充电至多十八(18)小时)。因此，需要如下的系统，所述系统在提供所需电能的同时，对于低成本、长期可靠服务、安全性和尺寸是最优化的。

另外，由于与动力式透镜相关联的功能的复杂性以及组成动力式透镜的所有组件之间的高水平相互作用，需要协调和控制构成动力式眼科透镜的电子器件和光学器件的总体操作。已考虑将商用微控制器用于控制电子式眼科装置；然而，当前可用的微控制器对于电子式眼科装置中使用有很多缺点。当前这些微控制器为约五(5)平方毫米，其边缘尺寸长于一些眼科装置设计所允许的尺寸，管芯厚度为大约数百微米，对于眼科装置而言太大了。商用微控制器并非专门为满足眼科电子系统的要求而定制，因此可能包含不需要的功能块，这浪费空间和电流，或不包含必需的功能块。其它限制也妨碍了市售微控制器和其它成品电子组件用于电子式眼科装置中。因此，需要一种控制所有其它组件操作的系统，该系统安全、成本低并且可靠，功耗速率低并且可扩展以结合到眼科透镜中。

动力式透镜系统可结合具有高串联电阻和低电容的储能装置(电池)。采用现有技术的电路(诸如市售微控制器)需要的峰值和平均电流对于本类型的电源太高了，使得峰值电流可能导致电池输出电压发生不可接受的下降，并且对于该动力式透镜系统需要的使用时间而言，平均电流可能过快地耗尽电池电量。

因此，需要一种系统控制器，其能够提供嵌入动力式透镜中的电子和机电或电化学系统的柔性操作，经设计和配置以最小化系统的总体功耗。该系统控制器应对动力式透镜外部和内部的变化情况作出响应，以便在最小化功耗的同时提供功能或性能的最优组合。另外，该系统控制器应优选需要或耗用足够小的体积和面积，以随其它所需组件一起集成到接触透镜中。

发明内容

本发明的系统控制器克服了与上文简述的现有技术相关联的缺点，该系统控制器包括用于控制可变光学眼科透镜的电子电路和控制算法。

本发明涉及包括电子系统的动力式接触透镜，该电子系统执行多种功能，包括致动可变焦光学器件。该电子系统包括一个或多个电池或其它电源、电力管理电路、一个或多个传感器、时钟产生电路、实现适当控制算法的控制电路、以及透镜驱动电路。该系统可还包括通过入射光或其它电磁波或电磁场执行眨眼检测的电路。

根据一个方面，本发明涉及眼科设备。该眼科设备包括结合到配置成在眼中或眼上至少之一的眼科装置中使用的电子系统；结合到电子系统中以用于控制其操作的系统控制器，所述系统控制器配置成实现接收至少一个信号并输出至少一个信号的主状态机；结合到电子系统中的电子电路，所述电子电路与系统控制器可操作地关联并提供电力给系统控制器，所述电子电路包括一个或多个电源以及时钟产生电路或输入中的一个或多个；以及配置成从系统控制器接收至少一个输出的至少一个致动器。

系统控制器包括一组以数字逻辑实现的状态机，其控制系统的组件。系统控制器可从电力管理电路和时钟产生电路接收电力、偏压以及一个或多个时钟信号。系统控制器执行设计成数字逻辑的预确定或预编程操作。系统控制器执行多种功能，包括触发一个或多个传感器以获得由所述一个或多个传感器提供的一个或多个信号样本(传感器输入)、存储传感器输入、将传感器输入与编程模式比较、根据系统和传感器输入或存储的传感器输入的当前状态确定下一个采取的行为和系统的下一个状态，以及激活和禁用其它构成该系统的组件。也可通过多种界面对系统控制器进行编程以改变其操作。

本发明的系统控制器提供了安全、低成本、可靠的方式，以用于控制可变光学电子式接触透镜，其还具有低功耗速率，并且在面积、体积等上可伸缩，以便在不明显影响舒适性或可佩戴性的情况下结合到诸如接触透镜的眼科装置中。

附图说明

以下是附图所示的本发明优选实施例的更为具体的说明，通过这些说明，本发明的上述及其它特征和优点将显而易见。

图1为根据本发明的示例性可变焦透镜系统的方框图示意图。

图2为图1的可变焦透镜系统的集成部分的方框图示意图。

图3为本发明的系统控制器的主状态机的示例性状态转换图。

图4为根据本发明的时钟和复位发生器和主状态机的操作的第一示例性序列的时序图。

图5为根据本发明的时钟和复位发生器以及主状态机的操作的第二示例性序列的时序图。

图5A为根据本发明的图5的时钟和复位发生器和主状态机的操作的第二示例性序列的扩展时间范围时序图。

图6为根据本发明的示例性控制系统的时钟和复位发生器的一部分的方框图。

图7为根据本发明用于动力式接触透镜的示例性电子插件的图示，该电子插件包括控制系统。

具体实施方式

常规的接触透镜为聚合物结构，其具有特定的形状，以如上所简述的矫正各种视力问题。为了获得增强的功能，必须将各种电路和组件集成到这些聚合物结构中。例如，控制电路、微处理器、通信装置、电源、传感器、致动器、发光二极管和微型天线可经由定制内置的光电组件集成到接触透镜中，从而不仅矫正视力，还提高视力，以及提供如本文所解释的附加功能。电子式和/或动力式接触透镜可经设计用以经由放大和缩小或者仅简单地改变透镜的折射能力以提供提高的视力。电子式和/或动力式接触透镜可经设计用以提高颜色和分辨率、显示纹理信息、将语音实时转换为字幕、提供导航系统的视觉提示以及提供图像处理和互联网接入。透镜可经设计用以允许佩戴者在低光条件下视物。透镜上适当地设计的电子器件和/或电子器件布置可允许例如在没有可变焦光学透镜的情况下将图像投射到视网膜上，提供新型图像显示装置，并且甚至提供唤醒警示。作为另一种选择或者除了这些功能或类似功能中任一种之外，接触透镜可结合有用于非入侵地监视佩戴者的生物标记物的组件和健康指示器。例如，通过分析泪液膜的组分，内置于透镜中的传感器可允许糖尿病患者监视血糖水平上，而不需要抽血。此外，适当配置的透镜可结合用于监视胆固醇、钠和钾水平的传感器以及其它生物标记物。这与无线数据发送器联接可允许医师能够几乎立即得到患者的血液化学性质，而不需要患者浪费时间去实验室进行抽血。另外，内置于透镜中的传感器可用于检测入射在眼上的光以弥补环境光条件或在确定眨眼模式中使用。

本发明的动力式或电子式接触透镜包括必要元件，以矫正和/或提高具有一种或多种上述视力缺陷的患者的视力，或者以其它方式执行有用的眼科功能。此外，它们仅可用来提高正常的视力，或者提供如上所述的宽泛种类的功能性。电子式接触透镜可包括可变焦光学透镜，植入到接触透镜中的组装前光学器件，或者仅植入用于任何合适功能性而没有透镜的电子器件。本发明的电子式透镜可结合到任何数量的上述接触透镜中。另外，眼内透镜也可结合本文所述的多种组件和功能。然而，为容易解释，本公开将集中于用以矫正视力缺陷的单次使用的日抛型电子式接触透镜。

在整个说明书中，使用了术语“眼科装置”。一般而言，眼科装置可包括接触透镜、眼内透镜、眼镜透镜和泪点塞。然而，根据本发明，眼科装置是用于眼病治疗、视力矫正和/或提高的装置，并且优选包括泪点塞、眼镜透镜、接触透镜和眼内透镜中的至少之一。眼内透镜或IOL是植入眼中并代替晶状体的透镜。其可用于患有白内障的个体或仅用于治疗各种屈光不正。IOL通常包括小块塑性透镜，其具有称为触觉体的塑性侧支柱，以将透镜保持在眼中的封装袋内的适当位置。本文所述的电子器件和/或组件中的任一种可以类似于接触透镜的方式结合到IOL中。泪点塞或泪点闭合器是用于插入眼的泪点中以治疗一种或多种疾病状态的眼科装置。虽然本发明可用于这些装置中的任何一种，但是在优选的示例性实施例中，本发明用于接触透镜或眼内透镜。

本发明涉及包括电子系统的动力式眼科透镜或动力式接触透镜，该电子系统致动可变焦光学器件或任何其它配置成实现可被执行的多种功能中的任一种的一个或多个装置。该电子系统包括一个或多个电池或其它电源、电力管理电路、一个或多个传感器、时钟产生电路、实现适当控制算法的控制电路、以及透镜驱动电路。这些组件的复杂性可能根据所需或期望的透镜功能而不同。

重要的是应注意，本发明的系统控制器可接收任意数量的输入以用于控制动力式或电子式眼科透镜，例如包括可变功率光学元件或可变焦光学器件以放大远处物体和缩小近处物体的接触透镜。

系统控制器或控制系统包括配置成管理、命令、指导和/或调节其它装置和/或系统的行为的一个或多个装置。虽然有多种不同类型的控制系统，但是它们通常分为两个种类或类型；也就是，逻辑或顺序控制系统以及反馈或线性控制系统。在逻辑或顺序控制系统中，输出指令信号，其以预定顺序触发一系列致动器以执行一个或多个任务。在反馈控制系统中，包括一个或多个传感器、控制算法和致动器的控制回路配置成以设定点或参考值调控变量。在任何反馈控制系统中，使用者需要知道系统要做什么、系统运行情况和使用性能信息更正和控制系统。

基本的反馈控制系统的组件可描述为如下。该控制系统包括要控制的系统或装置，并且配置成接收输入和提供输出。将装置的输出输入到传感器中，所述传感器测量该装置的一个或多个参数并提供反馈信号。然后通过比较器或其它适合的装置从输入信号中扣除反馈信号，以产生误差信号。然后，将误差信号输入到控制器中，所述控制器将信号输出到装置中，从而致使装置实现所需行为。本质上，来自传感器的反馈试图说明整个系统的所有复杂性，并且产生输出，该输出是给定输入的所需结果。所有控制系统在某些控制法则范围内设计，并且通常在不同方面(包括速度和准确性)表现出折衷性。虽然这种描述过于简单并且根据硬件进行描述，但是其为可在硬件、软件或它们的任何组合上实现的反馈控制系统提供了基础。

反馈控制系统还可分为比例控制器、积分控制器、微分控制器或它们的组合。在比例控制器中，控制行为与误差成比例。在积分控制器中，装置的致动信号或输入与误差的积分成比例。在微分控制器中，过程的输出与输入变化的速率成比例。如控制领域所知，每个类型的控制器提供自身优势。例如，采用积分控制器时，应当获得稳态误差。

如前所述的顺序控制器是一种需要以特定顺序发生一系列行为的控制器。这些行为可能十分复杂，因为必须知道全过程的所有情况。顺序控制器通常包括逻辑系统以将命令排序，从而控制电和/或机械行为。可将可编程逻辑控制器和微控制器编程以用于顺序控制。

虽然技术人员将会知道系统控制器或与系统控制器相关联的子系统可结合特性以响应传感器输入所提供的反馈，但是本发明的系统控制器主要是顺序控制系统。此类操作的例子可包括改变子系统的占空比或功率电平以响应低电池容量、调节内部时钟频率以与接收信号相关联的频率同步、和/或调节递送到眼泪膜的治疗剂或药物的量以响应泪膜化学物质的测量值。

如上所述，本发明涉及包括多个组件的接触透镜，系统控制器为这些组件中的一个。装置的正确组合可产生可能无限制的功能性；然而，存在许多与将附加组件结合到组成接触透镜的光度聚合物部件上相关联的困难。通常，由于多种原因，使得难以在透镜上直接制造此类组件，并且难以将平面装置安装和互连在非平面表面上。还难以按比率和形式进行制造。待放置在透镜上或透镜中的组件需要小型化且集成到仅1.5平方厘米的透明聚合物上，或更具体地，十七(17)平方毫米的透明聚合物上，同时保护这些组件不受眼上液体环境的影响。由于附加组件的增加的厚度，使得还难以制造对于佩戴者而言舒适且安全的接触透镜。

除了本文所述的尺寸要求之外，结合到接触透镜中的电子式装置必须稳固和安全，以在基本上水性环境中使用。泪液具有约7.4的pH值，并且为约98.2％的水和1.8％的固体，包括电解质，例如钠、钾、钙、镁和氯化物。这种环境对于引入电子器件来说有些严峻。此外，接触透镜通常经设计用以佩戴至少四小时，并且优选长于八小时。电子组件需要能量。该能量可由包括内置电池在内的许多电源提供。由于电池和其它潜在能源在这些尺寸上的潜能有限，所以所有电子组件(包括系统控制器)优选经设计用以消耗尽可能少的电力，使得接触透镜即使在闲置给定时间(储存寿命)之后也可佩戴给定的时间。最后，电子式接触透镜中的所有组件必须是生物相容性的和安全的。因此，结合到接触透镜中的所有电子器件必须满足所有以上设计参数；即，尺寸、在水溶液中的耐受性、功耗和安全性。本发明的系统控制器满足所有这些要求。

现在参见图1，其示出了可变焦电子式眼科透镜系统的示例性实施例，该系统包括电源100、电力管理电路102、系统控制器104、H桥控制器106、电压倍增器108、H桥110、可变焦光学器件112、传感器114和传感器信号路径116。随后给出上述组件中每一个的详细说明。重要的是应注意，本文所述的组件中的每一个均可以任何数量的合适方式实现。还重要的是应注意，本文出于示例性目的示出和描述功能块，并且功能块可被添加、移除或取代，但同时仍基于专门为在如本文所述的电子式或动力式眼科装置中使用而设计和配置的受控系统的基本原则。

可变焦眼科光学器件或简单地说可变焦光学器件112可以是液体透镜，其响应于横跨可变焦光学器件112的两个电端子施加的激活电压改变聚焦特性，例如焦距。然而，重要的是应当指出，可变焦透镜光学器件可包括任何适合的、可控的光学装置，例如发光二极管或微机电系统(MEMS)致动器。两个端子可对应于可变焦光学器件112的前侧端子和后侧端子。激活电压可显著高于得自电源的电压；因此，需要本文所述的其它电路。电源100可包括电池、能量采集器、电容或在可用的工作电压下提供电流的任何类似装置。在一些示例性实施例中，电源100可为连接到外部电源的感应电力。电力管理电路102可包括一个或多个稳压器、转换器、电压或电流基准源和开关，以选择性地使得电力提供给可变焦电子式眼科透镜系统中的其它组件。系统控制器104根据内部算法或在使用者的外部控制下(接口未示出)，提供控制信号给电压倍增器108和H桥控制器106。电压倍增器108从电源100接收低工作电压下的电流，并产生等于或高于可变焦光学器件112的激活电压的高输出电压，即，足以改变可变焦光学器件112的状态。电压倍增器108还可包括振荡器或从系统控制器104接收时钟信号。在该示例性实施例中，电压倍增器输出通过H桥开关电路110连接到可变焦光学器件112，该H桥开关是熟知的电子系统功能块。H桥开关电路110包括在电压倍增器108和可变焦光学器件112端子中每一个之间，以及在可变焦光学器件112端子中每一个和系统电学地之间的开关。H桥开关电路110的状态由系统控制器104控制信号中的一个或多个确定。H桥开关电路110可配置成一种或多种状态，例如，可变焦光学器件112端子开路、短路接地、或以一个端子连接到电压倍增器108和另一个接地而通电、或以相反极性通电。系统控制器104可周期性地反转H桥开关电路110输出的极性，以优化可变焦光学器件112的性能，例如，避免在一种状态下通电过久时可能发生的过量电荷捕捉。

传感器114可为光传感器(例如光电二极管)、压力传感器、电容触摸传感器、或电磁线圈或天线，以感测射频或低频电磁信号。传感器114还可包括眼睑位置传感器、瞳孔会聚传感器、向后瞳孔扩张传感器、发射器-检测器对传感器、眨眼检测传感器或传感器的任何组合。传感器信号路径116包括电路，该电路适于接收传感器114的输出信号并处理该信号以实现所需的噪音过滤、放大或其它修改，以及提供调整过的传感器信号给系统控制器104。传感器信号路径116可由系统控制器104控制，(例如)以使能或禁用该电路或更改电路的操作参数(诸如增益或一个或多个滤波器转折频率)。在一些示例性实施例中，可变焦电子式眼科透镜系统可包括一个或多个类似的或不同类型的传感器和传感器信号路径。

系统控制器104包括数字控制系统，该数字控制系统控制系统的组件，并可作为运行软件的微控制器实现或在数字逻辑(诸如一个或多个状态机)中实现。重要的是应注意，不论如何实现系统控制器104，其都被设计和配置成结合到接触透镜的一部分中。因此，尺寸和功耗是重要因素。系统控制器104还可包括振荡器以产生控制系统的周期性定时信号。系统控制器104从电力管理电路102接收偏压和功率，并从时钟产生电路(下文所述的图2中的低频振荡器202)接收时钟脉冲。低频振荡器202可以是独立式的或为电力管理电路102的一部分。系统控制器104执行设计成数字逻辑的预定或预先编程操作。系统控制器104执行多种功能，包括触发一个或多个传感器以获得一个或多个样本、存储传感器输入、将传感器输入与编程模式比较、根据系统的当前状态确定下一个采取的行为，以及激活和禁用构成该系统的其它组件。也可通过多种界面对系统控制器104进行编程以改变其操作。

图2示出了可变焦电子式眼科透镜系统的集成部分的示例性实施例，其为可一起集成在半导体管芯中的系统控制器和相关电路提供了具体细节。可变焦透镜子系统的集成部分包括稳压器vreg200、低频振荡器202、基于稳压器的通电复位电路vdd_por204以及系统控制器206。

稳压器vreg200连接到电池或外部电源，并为系统中的其它电路(尤其是系统控制器206)提供稳定电压。基于稳压器的通电复位电路vdd_por204连接到稳压器输出，提供指示稳压器输出电压在可用的电压电平下何时稳定的复位信号por_rst_n，并确保系统控制器206中的寄存器在系统通电时复位到所需的默认起始状态。低频振荡器202为系统控制器206提供低频时钟信号lf_clk。

在该示例性实施例中，系统控制器206包括主状态机master_fsm208、时钟和复位发生器clk_rst_gen210、数字眨眼检测子系统dig_blink214、数字接收器子系统dig_rx216、以及电荷泵电压倍增器控制器dig_cp218。时钟和复位发生器clk_rst_gen210接收低频时钟信号lf_clk和基于稳压器的通电复位信号por_rst_n，并提供时钟和复位给系统控制器206中的块。主状态机master_fsm208从时钟和复位发生器clk_rst_gen210接收状态机时钟信号smclk和状态机复位信号smclk_rst_n。主状态机master_fsm208包括通过预定顺序的状态前进的状态机，系统控制器206中的其它块以该预定顺序激活或使能。数字眨眼检测子系统dig_blink214可包括状态机和附加逻辑，以提供使能信号adc_en给模拟数字转换器并从其接收关于信号的数据adc_data。数字接收器子系统dig_rx216可包括状态机和附加逻辑，以提供使能信号rx_en给接收器子系统并从其接收关于信号的数据rx_data。接收器子系统可包括在可变焦透镜系统中的单独传感器和传感器信号路径。电荷泵电压倍增器控制器dig_cp218可包括逻辑，其对系统控制器206中的锁存值或存储值解码，并提供电荷泵使能信号cp_an_en给电荷泵电压倍增器。在随后的图3和图4的描述中进一步说明了图2示出的信号和块的行为。

图3示出了图2所示的示例性实施例的主状态机master_fsm208的状态转换图。初始状态为IDLE状态300，在该状态下，当来自时钟和复位发生器clk_rst_gen210的复位信号smclk_rst_n置位(在该示例性实施例中为低电平有效)时设置主状态机master_fsm208。在smclk上的第一个状态机时钟边沿上，主状态机master_fsm208转换至BLINK状态302，在此期间，数字眨眼检测子系统dig_blink214通过信号bl_go的置位而使能。主状态机master_fsm208保持BLINK状态302，直到从数字眨眼检测子系统dig_blink214接收眨眼完成信号bl_done，该信号指示眨眼检测操作完结。主状态机master_fsm208可将数字眨眼检测子系统dig_blink214的输出值锁存或存储在寄存器中以便进一步解码或处理。该输出值可基于与预定或可编程的模式匹配的一系列的光亮度或眨眼模式的检测。一种模式可用于更新电荷泵电压倍增器控制器dig_cp的状态。另一种模式可用于进入通信接收模式。然后，根据在BLINK状态302中锁存的值，主状态机master_fsm208有条件地转换至如在图中由标签“如果检测到Rx序列”和“如果没检测到Rx序列”示出的RX状态304或CP状态306。在RX状态304中，主状态机master_fsm208通过置位信号rx_go而使能数字接收器子系统dig_rx216。数字接收器子系统dig_rx216可使用rx_en和rx_data信号而从通信接收器使能和接收数据。在RX状态304中，主状态机master_fsm208相似地等待或保持该状态，直到接收到指示接收器操作完结的rx_done信号，然后将其转换至CP状态306。在CP状态306中，主状态机master_fsm208通过置位信号cp_go而使能电荷泵电压倍增器控制器dig_cp218，以根据从数字眨眼检测子系统dig_blink214或通信接收器操作dig_rx216接收到的值而更新电荷泵控制信号的状态。在该示例性实施例中，电荷泵电压倍增器控制器dig_cp218仅需一个时钟周期进行更新，使得不需要相应的完成信号。然后，主状态机master_fsm208转换至完成状态308，并且保持该状态直到由smclk_rst_n信号复位。

图4提供了时序图，其示出了根据本发明的示例性实施例的时钟和复位发生器clk_rst_gen210和主状态机master_fsm208的多个可能的操作顺序之一。在顶部处示出了当电池或电源连接到系统时，电池电压Vbat倾斜升温至稳定值，然后稳压器vreg200输出信号Vdd或Vreg倾斜升温至稳定值。接下来，响应于Vreg电压置位(低电平有效)基于稳压器的通电复位vdd_por204输出信号por_rst_n，然后去置位(高电平有效)。低频振荡器在此以2.56kHz的低速率启动，如If_clk信号所示。内部唤醒信号wake_det在此以0.1秒的间隔周期性地产生，在此时，主状态机复位smclk_rst_n去置位，并且状态机时钟设置在smclk信号上。主状态机master_fsm208从其初始IDLE状态300转换至BLINK状态302，并置位使能信号bl_go以使能数字眨眼检测子系统dig_blink214和由clk_rst_gen块210提供给数字眨眼检测子系统dig_blink214的时钟信号bl_clk。数字眨眼检测子系统dig_blink214置位信号adc_en以使能与数字眨眼检测子系统dig_blink214相关联的模拟数字转换器。adc_en信号还可用于在模拟数字转换器激活时使能模拟数字转换器的高频时钟源。当数字眨眼检测子系统dig_blink214的操作完结时，向主状态机master_fsm208置位bl_done信号，然后禁用bl_go信号，从而复位dig_blink状态机214。如该示例性时序图所示，系统随后转换至CP状态306，在该状态下，电荷泵电压倍增器控制器dig_cp218置位使能信号cp_an_en以激活电荷泵电压倍增器108(图1)。当电荷泵电压倍增器108激活时，cp_an_en信号还可用于使能电荷泵电压倍增器108的高频时钟源。然后主状态机master_fsm208转换至完成状态308，这时，时钟和复位发生器clk_rst_gen210重新置位复位信号smclk_rst_n并禁用状态机时钟smclk。应当理解，所示的序列包括仅当在必要时通过启用时钟和电路以减少系统总体功耗的操作。

图5提供了时序图，其示出根据本发明的示例性系统的时钟和复位发生器clk_rst_gen210和主状态机master_fsm208的多个可能的操作序列中的另一个，其为时钟信号提供了附加细节。在眨眼状态302中，由数字眨眼检测子系统dig_blink214提供的adc_en信号可用于传感器信号路径中以使能高速模拟数字转换器时钟adc_clk。高速模拟数字转换器时钟adc_clk可在相关联的传感器信号路径中或在时钟和复位发生器中实现。图5中还示出了由模拟数字转换器提供的adc_done信号以指示其操作已完结。在本发明的一些示例性实施例中，当置位adc_done信号时，可禁用或断开高速模拟数字转换器时钟adc_clk。这样，高速模拟数字转换器时钟adc_clk激活模拟数字转换器完结其操作所需的最短时间。应当理解，通过adc_done信号的选通提供了远先于状态机时钟smclk的下一个边缘就禁用高速模拟数字转换器时钟adc_clk。例如，在一些示例性实施例中，模拟数字转换器在以1MHz速率的高速模拟数字转换器时钟adc_clk的十三(13)个周期内完结其操作。因此，高速模拟数字转换器时钟adc_clk可在使能之后在十三(13)微秒内禁用，这是由以2.56kHz或三百九十(390)微秒的时钟频率运行的主状态机使能之后的相对短的时间。该行为在信号adc_en、adc_done和adc_clk的圆圈部分501示出，其中显示当模拟数字转换器置位(高电平有效)adc_en时，adc_clk信号使能，当模拟数字转换器置位(高电平有效)adc_done时，该信号禁用。在一些另外的示例性实施例中，模拟电路(诸如比较器、电压基准或电流源)可在adc_done信号置位时禁用。与系统所需的总平均耗用电流相比，这些电路可消耗相对大量的电流，因此尽快将其禁用可大幅减少透镜系统的总体功耗。相似地，由数字电荷泵电压倍增器控制器dig_cp218提供的电荷泵使能信号cp_an_en可用于电荷泵电压倍增器中以使能高速电荷泵时钟cp_an_clk。这样，根据低频时钟lf_clk运行的系统控制器可仅在需要时使能和禁用可变焦透镜系统中较高速度的时钟，从而最小化功耗。应当理解，在每个0.1秒的间隔中(占空比1∶32)，由主状态机master_fsm208控制的激活操作需要2.56kHz频率下的大约八(8)个时钟周期，或3.125ms，使得通过最小化每个子系统的激活时间来提供低的总体功耗。

图5A提供了类似于图5所示的一组序列和操作在较长时间范围内的时序图，使得可以看见通电后的完整的0.1秒间隔。当时钟和复位发生器去置位主状态机复位smclk_rst_n并根据smclk信号提供状态机时钟时，启动第一个唤醒序列。系统控制器状态机遵循图5所示的一系列操作，并且这些操作在3.125毫秒(ms)的持续时间Tactive内完结。从图示中清楚可见，占用该0.1秒间隔Twake其余部分的有源电路为稳压器、低频时钟和计数器。当时钟和复位发生器去置位主状态机复位smclk_rst_n并根据smclk信号提供状态机时钟时，在间隔Twake的末尾启动第二个唤醒序列。

图6示出了时钟和复位发生器clk_rst_gen210的一部分的示例性实施例。时钟和复位发生器clk_rst_gen210包括唤醒计数器600、唤醒检测电路602、go寄存器604、状态机使能寄存器606和状态机时钟门608。当主状态机master_fsm208为IDLE状态300时，仅低频时钟lf_clk和唤醒计数器600激活。低频时钟lf_clk的每二百五十六(256)个周期，唤醒计数器600置位提供给唤醒检测电路602的唤醒信号。置位唤醒后，唤醒检测电路602置位低频时钟lf_clk一个周期的唤醒检测信号wake_det。唤醒计数器600可在低频时钟lf_clk的下降缘上操作以最小化唤醒检测电路602的保持时间，例如，如果电路以定制逻辑设计。提供唤醒检测信号wake_det给go寄存器604。置位wake_det时，go寄存器604置位go信号，并将该go信号保持置位或有效状态，直到主状态机master_fsm208提供done信号置位为止。提供go信号给状态机使能寄存器606。状态机使能寄存器606在低频时钟信号lf_clk的下降缘产生状态机复位信号smclk_rst_n。提供状态机复位信号smclk_rst_n给主状态机master_fsm208和状态机时钟门608。当smclk_rst_n去置位时，状态机时钟门608根据低频时钟lf_clk提供状态机时钟smclk。在所示的示例性实施例中，smclk_rst_n信号的置位表示低电平有效，并且去置位表示高电平有效。如图所示，状态机时钟门608可实现为“AND”门。

应当理解，眨眼检测子系统、数字接收器子系统、电荷泵电压倍增器子系统以及其它子系统的使能和时钟选通电路可采用类似于状态机使能寄存器606和状态机时钟门608的方式实现。这样，复位、使能和时钟可采用无障碍的方式产生，并仅在需要时使能时钟和子系统，从而最小化功耗。

主状态机、数字子系统状态机以及时钟和复位发生器电路可由一小组逻辑门和触发电路构成。这样，本发明的系统控制器可在硅半导体集成电路管芯上使用互补金属氧化物半导体(CMOS)逻辑电路的十分小的区域内实现。因此，本发明的系统控制器提供与眼科透镜的总体尺寸和电池寿命要求相符的最小功耗及较小面积和体积，以这种方式提供对眼科透镜中的电子系统进行柔性控制所需的功能。

系统控制器的逻辑功能可以顺序数字逻辑实现，包括本领域熟知的有限状态机。应当理解，可供选择的实施例是可能的，例如，实现在微控制器中执行的软件的多种算法和功能。应当理解，系统上的其它变形形式是可能的，例如，使用不同类型的传感器、不同的检测算法，以及软硬件和在一个或多个集成电路中的不同分配。在一个示例性实施例中，系统控制器完全集成到单硅CMOS集成电路管芯中。

现在参见图7，其示出了具有电子插件的示例性接触透镜，所述电子插件包括根据本发明的示例性实施例的控制系统。示例性接触透镜700包括软性塑料部分702，所述软性塑料部分包括电子插件704。电子插件704包括由本文所述的电子器件激活或控制的透镜706，例如，根据激活而在近处或远处聚焦。电路708安装到插件704上，并且通过一根或多根电互连迹线712连接到电源710(例如电池)。也可通过电互连迹线712连接其它电路。电路708可包括本文所述的组件中的任一个，包括一个或多个传感器714。

在一个示例性的实施例中，电子器件和电子互连形成在接触透镜的周边区域中而非光学区中。根据可替代的示例性实施例，重要的是应注意，电子器件的定位无需限制于接触透镜的周边区域。本文所述的所有电子组件可利用薄膜技术和/或透明材料加工成形。如果采用这些技术，只要其与光学器件相容，该电子组件可置于任何合适的位置中。

尽管所示出并描述的据信是最为实用和优选的实施例，但显然，对所述和所示的具体设计和方法的变更对本领域中的技术人员来说不言自明，并且在不脱离本发明的实质和范围的情况下可使用这些变更形式。本发明并非局限于所述和所示的具体构造，而是应该理解为与落入所附权利要求书的范围内的全部修改形式相符。

Claims (30)

1. 一种眼科设备，包括：

电子系统，所述电子系统结合到配置成在眼中或眼上中的至少之一中使用的眼科装置中；

系统控制器，所述系统控制器结合到所述电子系统中以用于控制所述电子系统的操作，所述系统控制器配置成实现接收至少一个信号和输出至少一个信号的主状态机；

电子电路，所述电子电路结合到所述电子系统中，所述电子电路与所述系统控制器可操作地关联并提供电力给所述系统控制器，所述电子电路包括一个或多个电源以及时钟产生电路或输入中的一个或多个；以及

至少一个致动器，所述致动器配置成从所述系统控制器接收所述至少一个输出。

2. 根据权利要求1所述的眼科设备，其中所述眼科装置包括接触透镜。

3. 根据权利要求2所述的眼科设备，其中所述接触透镜包括软性接触透镜。

4. 根据权利要求2所述的眼科设备，其中所述接触透镜包括混合型软性/刚性接触透镜。

5. 根据权利要求1所述的眼科设备，其中所述眼科装置包括眼内透镜。

6. 根据权利要求1所述的眼科设备，其中所述眼科装置包括泪点塞。

7. 根据权利要求1所述的眼科设备，其中所述主状态机在硬件中实现。

8. 根据权利要求1所述的眼科设备，其中所述主状态机在软件中实现。

9. 根据权利要求1所述的眼科设备，其中所述主状态机在硬件和软件的组合中实现。

10. 根据权利要求1所述的眼科设备，其中所述系统控制器包括一个或多个子系统。

11. 根据权利要求10所述的眼科设备，其中所述一个或多个子系统包括时钟和复位发生器子系统。

12. 根据权利要求10所述的眼科设备，其中所述一个或多个子系统包括数字眨眼检测子系统。

13. 根据权利要求10所述的眼科设备，其中所述一个或多个子系统包括数字接收器子系统。

14. 根据权利要求10所述的眼科设备，其中所述一个或多个子系统包括电荷泵电压倍增器控制器子系统。

15. 根据权利要求11所述的眼科设备，其中与所述时钟和复位发生器子系统结合的所述主状态机配置成提供使能信号和时钟信号给所述子系统中的一个或多个，以依次将它们激活，并然后在操作完结时将其停用，从而最小化功耗。

16. 根据权利要求11所述的眼科设备，其中所述时钟和复位发生器子系统包括低频时钟源和计数器。

17. 根据权利要求16所述的眼科设备，其中所述系统控制器配置成在复位时、在启动下和/或在取样和激活行为之间仅使所述低频时钟源和计数器处于激活状态。

18. 根据权利要求11所述的眼科设备，其中所述时钟和复位发生器电路配置成提供状态机时钟和状态机复位给所述主状态机并周期性地激活所述主状态机。

19. 根据权利要求1所述的眼科设备，还包括第一传感器和第一传感器信号路径，其中所述主状态机配置成周期性地使能所述第一传感器和所述第一传感器信号路径，并接收具有值或值序列的传感器信号，并且其中所述激活周期对应于所述第一传感器和第一传感器信号路径的预定取样率。

20. 根据权利要求19所述的眼科设备，还包括第二传感器和第二传感器信号路径，其中所述主状态机配置成在从所述第一传感器和第一传感器信号路径检测唯一的预定值或值序列时，使能所述第二传感器和所述第二传感器信号路径。

21. 根据权利要求20所述的眼科设备，其中所述第一传感器和所述第一传感器信号路径包括光传感器和光传感器信号路径，并且所述传感器信号包含指示所述光传感器上的入射光水平的值。

22. 根据权利要求21所述的眼科设备，其中所述预定的值序列代表眨眼模式。

23. 根据权利要求22所述的眼科设备，其中所述主状态机在检测第一眨眼模式时使能透镜驱动器。

24. 根据权利要求23所述的眼科设备，其中所述主状态机在检测第二眨眼模式时使能光接收器或电磁接收器中的至少之一。

25. 根据权利要求24所述的眼科设备，其中所述电子系统还包括具有高速时钟的子系统，所述子系统配置成提供指示其操作完结的“完成”信号给所述主状态机。

26. 根据权利要求25所述的眼科设备，其中当所述子系统完结其操作时，所述高速时钟信号被所述子系统禁用。

27. 根据权利要求1所述的眼科设备，其中所述电子电路还包括电力管理电路。

28. 根据权利要求1所述的眼科设备，其中所述电子电路还包括一个或多个高压发生器。

29. 根据权利要求1所述的眼科设备，其中所述电子电路还包括一个或多个开关电路。

30. 根据权利要求1所述的眼科设备，其中所述电子电路还包括一个或多个传感器。

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