CN104020578B - 具有眼睑位置传感器的电子式眼科透镜 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于包含电子系统的眼科透镜的眼睑位置传感器系统。所述眼睑位置传感器系统是被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他电源、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、以及透镜驱动器电路。所述眼睑位置传感器系统用于确定眼睑位置并利用该信息来控制眼科透镜的各个方面。

Description

具有眼睑位置传感器的电子式眼科透镜

背景技术

1.技术领域

本发明涉及一种动力式或电子式眼科透镜，更具体地讲，涉及一种具有用于检测眼睑位置的传感器以及相关硬件和软件的动力式或电子式眼科透镜。

2.相关领域描述

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。此类用途可包括监测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、以及扩充器官或组织的性能。此类装置的实例包括葡萄糖输注泵、起搏器、去纤颤器、心室辅助装置和神经刺激器。一种新的尤其可用的应用领域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式焦距，以扩充或增强眼的性能。在另一个例子中，无论具有还是不具有可调式焦距，可佩戴的接触透镜都可包含电子传感器，以检测角膜前(泪)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会引入如下潜在的需求：需要与电子器件通信，需要一种对这些电子器件供电和/或重新供能的方法，需要将电子器件互连，需要内部和外部传感和/或监视，以及需要控制电子器件和透镜的总体功能。

人眼具有辨别上百万种颜色的能力、易于调节以改变光照条件的能力、以及以超过高速互联网连接的速率将信号或信息传输到大脑的能力。当前，透镜诸如接触透镜和眼内透镜被用来矫正视力缺陷，诸如近视(近视眼)、远视(远视眼)、老花眼和散光。然而，结合附加组件的适当设计的透镜可用来增强视力以及矫正视力缺陷。

接触透镜可用于矫正近视、远视、散光以及其他视觉灵敏度缺陷。接触透镜也可用于增强佩戴者的眼睛的自然外观。接触透镜或“触体”只是放置在眼睛的前表面上的透镜。接触透镜被视为医疗装置并且可被佩戴，以校正视力和/或用于美容或其他治疗原因。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构成或制成，相对较为昂贵并且易碎。此外，这些早期的接触透镜由如下材料制成，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其流行且被广泛应用。具体地讲，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。本质上，与由早期硬性材料制得的接触透镜相比，这些基于有机硅水凝胶的接触透镜具有较高的透氧度并且通常具有较高的佩戴舒适度。

常规的接触透镜为具有特定形状的聚合物结构，以如上所简述地矫正各种视力问题。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的光电组件被集成到接触透镜中，以不仅矫正视力，而且增强视力，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被设计成经由放大和缩小能力或者仅只是通过改变透镜的屈光力来提供增强的视力。电子式和/或动力式接触透镜可被设计成增强颜色和分辨率、显示纹理信息、将语音实时转变为字幕、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。透镜可被设计成允许佩戴者在低光照条件下视物。在透镜上适当设计的电子器件和/或电子器件布置可允许例如在没有可变焦距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，以及甚至提供唤醒警示。作为另一种选择或者除了这些功能或相似功能中的任一者之外，接触透镜可结合用于非入侵地监测佩戴者的生物标记的组件和健康指示器。例如，通过分析泪膜的组分，构建到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，适当构造的透镜可结合用于监测胆固醇、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并进行抽血。此外，可利用内置于透镜中的传感器来检测入射到眼睛上的光，以补偿环境光照条件或者用于确定眨眼图案。

装置的正确组合可产生潜在的无限功能；然而，存在许多与将额外的组件结合到光学等级聚合物部件上相关的困难。通常，由于多种原因，使得难以在透镜上直接制造此类组件，并且难以在非平面表面上将平面装置安装和互连。还难以按比例制造。待放置在透镜上或透镜中的组件需要小型化且集成到仅仅1.5平方厘米的透明聚合物上，同时保护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，还难以制造对于佩戴者而言舒适且安全的接触透镜。

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，包括在非平面表面上将多个电子组件安装和互连，这些电子组件的大多数包括光学塑料。因此，需要提供机械稳固和电气稳固的电子式接触透镜。

由于这些是动力式透镜，因而考虑到在眼科透镜规模上的电池技术，用于驱动电子器件的能量或更具体地讲电流消耗是一个关切的问题。除正常的电流消耗外，该性质的动力式装置或系统一般需要待机电流储备，需要具有精确的电压控制和切换能力以确保在潜在的许多种工作参数条件下工作，并且需要在可能保持闲置多年之后进行突然的电流消耗(例如在单次充电后长达十八(18)个小时的消耗)。因此，需要一种在提供所需电力的同时在低成本、长期可靠的服务、安全以及尺寸方面最优化的系统。

此外，由于与动力式透镜相关联的功能复杂度以及构成动力式透镜的所有组件之间的高的相互作用水平，需要协调和控制构成动力式眼科透镜的电子器件和光学元件的总体操作。因此，需要一种用于控制所有其他组件的操作的系统，所述系统安全、低成本且可靠，具有低的能量消耗速率并且尺寸可被缩小成能结合到眼科透镜中。

动力式或电子式眼科透镜可能必须考虑到利用所述动力式或电子式眼科透镜的个体的某些独特生理机能。更具体地讲，动力式透镜可能必须考虑到眨眼，包括在给定时间周期中的眨眼次数、眨眼的持续时间、各次眨眼之间的时间以及任何数目的可能的眨眼图案，例如如果所述个体正在打瞌睡。眨眼检测也可被用于提供某些功能，例如可利用眨眼作为控制动力式眼科透镜的一个或多个方面的手段。另外，在确定眨眼时，必须考虑到外部因素，例如光强度水平的变化、以及人的眼睑所阻挡的可见光的量。例如，如果房间中的照明水平介于五十四(54)和一百六十一(161)勒之间，则光传感器应足够灵敏地检测在人眨眼时发生的光强度变化。

环境光传感器或光传感器被用于许多系统和产品中，例如用于电视中以根据房间光照来调节亮度、用于灯中以在黄昏时开启、以及用于电话中以调节屏幕亮度。然而，这些当前使用的传感器系统对于结合到接触透镜中而言不够小和/或不具有足够低的能量消耗。

还重要指出的是，可使用针对人眼的计算机视觉系统(例如被数字化至计算机中的照相机)来实现不同类型的眨眼检测器。在计算机上运行的软件可识别各种视觉图案，例如睁眼和闭眼。这些系统可被用于出于诊断和研究目的的眼科临床设置中。不同于上述检测器和系统，这些系统旨在在眼睛外使用并且是用于向眼睛看去而非从眼睛向外看。尽管这些系统并没有小到足以结合到接触透镜中，但所利用的软件可与与动力式接触透镜结合工作的软件相似。这两种系统中的每一种均可包含人工神经网络的软件实现，所述人工神经网络从输入学习并相应地调节它们的输出。作为另外一种选择，可利用包含统计数据、其他自适应性算法、和/或信号处理的基于非生物的软件实现来形成智能系统。

因此，需要一种用于检测某些生理机能(例如眨眼)并根据传感器所检测到的眨眼序列的类型利用这些生理机能来激活和/或控制电子式或动力式眼科透镜的装置和方法。所用传感器的尺寸和构造必须适合用于接触透镜中。此外，需要检测使用者眼睑的位置。使用者需要聚焦于近处的一个指标是：上眼睑下垂，例如当手持报纸读报时。对眼睑位置的该变化的检测可被用作可变焦距透镜的输入以矫正老花眼。眼睑位置传感器也可用于检测使用者是否正在眯眼，可能正在试图聚焦于远处。眼睑位置传感器可用于检测使用者是否正在入睡，例如以触发适当的警示以使使用者保持醒着。存在用于检测眼睑位置的现有系统；然而，这些现有系统仅限于如照相机成像器、图像识别、以及红外线发射器/检测器对这些依赖于从眼镜和眼睑反光的装置。用于检查眼睑位置的现有系统还依赖于眼镜或临床环境的使用，并且不容易包含于接触透镜内。

发明内容

根据本发明的具有眼睑位置传感器的电子式眼科透镜克服了上面所简要说明的与现有技术相关联的局限性。该眼睑位置传感器可被集成到接触透镜中，而不像对于现有面朝眼睛的检测系统所常见的一样需要临床环境或眼镜。所述眼睑位置传感器的尺寸和能量消耗适合用于接触透镜中。所述眼睑位置传感器还输出对于接触透镜应用而言所需的信息，例如矫正老花眼或警示打瞌睡的使用者。

根据一个方面，本发明涉及一种动力式眼科透镜。所述动力式眼科透镜包括接触透镜以及眼睑位置传感器系统，所述接触透镜包括光学区和周边区，所述眼睑位置传感器系统被结合到所述接触透镜的周边区中，所述眼睑位置传感器系统包括传感器阵列、系统控制器、以及至少一个致动器，所述传感器阵列具有多个个体传感器以检测眼睑位置，所述系统控制器配置成对所述传感器阵列中的每个个体传感器取样以检测眼睑位置并提供输出控制信号，所述至少一个致动器配置成接收所述输出控制信号并实现预定的功能。

根据另一个方面，本发明涉及一种动力式眼科透镜。所述动力式眼科透镜包括接触透镜，以及眼睑位置传感器系统，所述眼睑位置传感器系统被结合到所述接触透镜中，所述眼睑位置传感器系统包括传感器阵列、系统控制器、以及至少一个致动器，所述传感器阵列具有多个个体传感器以检测眼睑位置，所述系统控制器配置成对所述传感器阵列中的每个个体传感器取样以检测眼睑位置并提供输出控制信号，所述至少一个致动器配置成接收所述输出控制信号并实现预定的功能。

根据另一个方面，本发明涉及一种动力式眼科透镜。所述动力式眼科透镜包括眼内透镜以及眼睑位置传感器系统，所述眼睑位置传感器系统被结合到所述眼内透镜中，所述眼睑位置传感器系统包括传感器阵列、系统控制器、以及至少一个致动器，所述传感器阵列具有多个个体传感器以检测眼睑位置，所述系统控制器配置成对所述传感器阵列中的每个个体传感器取样以检测眼睑位置并提供输出控制信号，所述至少一个致动器配置成接收所述输出控制信号并实现预定的功能。

本发明涉及一种可结合眼睑或眼睑位置传感器的动力式或电子式眼科透镜。已知眼睑以多种方式保护眼球，包括眨眼反射和眼泪展布动作。在感觉到对眼睛的威胁时，眼睑的眨眼反射能通过迅速地闭合来防止对眼球造成创伤。眨眼还会在眼球表面展布眼泪，以使眼球表面保持湿润并冲洗掉细菌和其他异物。但眼睑的运动也可能指示其他动作或所起的其他功能。例如，当个体聚焦于近处的物体上时，上眼睑下垂。因此，可将对该运动的检测用作具有可变焦距光学元件的电子式眼科透镜的输入，以矫正与老花眼相关联的调节作用损失。作为另外一种选择，当个体想要聚焦于远处的物体上时，他或她可能眯眼。可将与眯眼相关联的眼睑运动用作具有可变焦距光学元件的电子式眼科透镜的输入，以聚焦于或拉近远处的物体。此外，眼睑位置传感器也可用于向佩戴电子式眼科透镜的个体警示其处于睡着的危险中。

本发明更一般地涉及一种包括电子系统的动力式接触透镜，所述电子系统执行任何数量的功能，包括致动可变焦距光学元件(如果包括的话)。所述电子系统包括一个或多个电池或其他电源、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、以及透镜驱动器电路。

对动力式眼科透镜的控制可通过以无线方式与透镜通信的手动操作式外部装置(例如手持式遥控单元)来实现。作为另外一种选择，对动力式眼科透镜的控制可通过直接来自于佩戴者的反馈信号或控制信号来实现。例如，内置于透镜中的传感器可检测眨眼和/或眨眼图案。基于眨眼图案或眨眼序列，为了聚焦于近处的物体或远处的物体上，动力式眼科透镜可改变状态，例如改变其屈光力。

眨眼检测算法是系统控制器的组件，其用于检测眨眼的特性，例如眼睑是张开的还是闭合的、眨眼张开或闭合的持续时间、两次眨眼之间的持续时间、以及在给定时间周期中的眨眼次数。根据本发明的示例性算法依赖于以某一取样速率对入射于眼睛上的光取样。存储预确定的眨眼图案，并与入射光样本的最近历史进行比较。当图案相匹配时，眨眼检测算法便触发系统控制器中的活动，例如以激活透镜驱动器以改变透镜的屈光力。

本发明的眨眼检测算法和相关联的电路在相当广泛的光照条件下工作，并且优选地能够区分有意的眨眼序列与无意的眨眼。还优选的是，只需要进行很少的训练便能利用有意的眨眼来激活和/或控制动力式眼科透镜。本发明的眨眼检测算法和相关联的电路提供一种通过动力式或电子式接触透镜来检测眨眼的安全、低成本且可靠的装置和方法，以实现对动力式或电子式眼科透镜的激活或控制中的至少一者，所述动力式或电子式接触透镜还具有低能量消耗速率并可被缩小成能结合于眼科透镜中。

本发明还涉及一种结合眼睑位置传感器的动力式或电子式眼科透镜。

附图说明

下文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，本发明的上述及其他特征和优点将显而易见。

图1示出根据本发明某一实施例的包括眨眼检测系统的示例性接触透镜。

图2示出根据本发明的入射于眼睛表面上的光与时间的关系的图示，其示出在各种光强度水平下所记录的可能的无意的眨眼图案与时间的关系以及基于最大和最小光强度水平之间的某一点的可用阈值水平。

图3是根据本发明的眨眼检测系统的示例性状态转变图。

图4是根据本发明的用于对所接收的光信号进行检测和取样的光检测路径的示意图。

图5是根据本发明的数字调节逻辑的方框图。

图6是根据本发明的数字检测逻辑的方框图。

图7是根据本发明的示例性时序图。

图8是根据本发明的数字系统控制器的示意图。

图9是根据本发明的用于自动增益控制的示例性时序图。

图10是根据本发明的示例性集成电路电路小片上的光阻挡区域和光通过区域的示意图。

图11是根据本发明的用于动力式接触透镜的示例性电子插件(包括眨眼检测器)的示意图。

图12是根据本发明的示例性眼睑位置传感器的示意图。

图13是根据本发明的两个示例性眼睑位置传感器的示意图，所述眼睑位置传感器具有用于使两只眼睛之间的动作同步的通信信道。

图14A是根据本发明的包含于接触透镜中的第一示例性电子系统的示意图，所述第一示例性电子系统用于检测眼睑位置。

图14B是图14A的第一示例性电子系统的放大视图。

图15是根据本发明的来自眼睑位置传感器的示例性输出的示意图。

图16A是根据本发明的包含于接触透镜中的第二示例性电子系统的示意图，所述第二示例性电子系统用于检测眼睑位置。

图16B是图16A的第二示例性电子系统的放大视图。

具体实施方式

常规的接触透镜为具有特定形状的聚合物结构，以如上所简述地矫正各种视力问题。为了获得增强的功能，可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的光电组件被集成到接触透镜中，以不仅矫正视力，而且增强视力，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被设计成经由放大和缩小能力或者仅仅只是通过改变透镜的屈光力而提供增强的视力。电子式和/或动力式接触透镜可被设计成增强颜色和分辨率、显示纹理信息、将语音实时转变为字幕、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。透镜可被设计成允许佩戴者在低光照条件下视物。透镜上适当设计的电子器件和/或电子器件布置可允许例如在没有可变焦距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相似功能中的任一种之外，接触透镜可结合用于非入侵地监测佩戴者的生物标记的组件和健康指示器。例如，通过分析泪膜的组分，构建到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，适当构造的透镜可结合用于监测胆固醇、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并进行抽血。此外，可利用内置于透镜中的传感器来检测入射到眼睛上的光，以补偿环境光照条件或者用于确定眨眼图案。

本发明的动力式或电子式接触透镜包括必要的元件，以矫正和/或增强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可用的眼科功能。此外，电子式接触透镜可只是用来增强正常的视力，或者提供如上所述的广泛种类的功能。电子式接触透镜可包括可变焦距光学透镜，嵌入接触透镜中的组装前光学部件，或者仅仅只是嵌入任何合适功能的电子器件而没有透镜。本发明的电子透镜可结合成任何数量的上述接触透镜。此外，眼内透镜也可结合本文所述的各种组件和功能。然而，为了容易解释，本发明将集中于用于矫正视力缺陷的单次使用的可日抛电子式接触透镜。

本发明可用于包括电子系统的动力式眼科透镜或动力式接触透镜，所述电子系统用于致动可变焦距光学元件或任何其他配置成实现可被执行的任何数量的诸多功能的装置。所述电子系统包括一个或多个电池或其他电源、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、以及透镜驱动器电路。这些组件的复杂度可根据透镜所要求或所期望的功能而异。

对电子式或动力式眼科透镜的控制可通过与透镜通信的手动操作式外部装置(例如手持式遥控单元)来实现。例如，短表链可根据佩戴者的人工输入来与动力式透镜进行无线通信。作为另外一种选择，对动力式眼科透镜的控制可通过直接来自于佩戴者的反馈信号或控制信号来实现。例如，内置于透镜中的传感器可检测眨眼和/或眨眼图案。根据眨眼图案或眨眼序列，动力式眼科透镜可改变状态，例如改变其屈光力，以聚焦于近处的物体或远处的物体上。

作为另外一种选择，动力式或电子式眼科透镜中的眨眼检测可用于其中在使用者与电子式接触透镜之间存在相互作用的各种其他用途，例如激活另一电子装置或向另一电子装置发送命令。例如，眼科透镜中的眨眼检测可与计算机上的照相机结合使用，其中照相机跟踪眼睛在计算机屏幕上移动的位置，并且当使用者执行眨眼序列且该眨眼序列被眨眼检测检测到时，引起鼠标指针执行命令，例如双击某一个项、高亮显示某一个项或选择菜单项。

眨眼检测算法是系统控制器的组件，用于检测眨眼的特性，例如检测眼睑是张开的还是闭合的、眨眼的持续时间、两次眨眼之间的持续时间、以及在给定时间周期中的眨眼次数。根据本发明的算法是依赖于以某一取样速率对入射于眼睛上的光取样。存储预确定的眨眼图案，并与入射光样本的最近历史进行比较。当图案相匹配时，眨眼检测算法可触发系统控制器中的活动，例如以激活透镜驱动器以改变透镜的屈光力。

眨眼是指眼睑的快速闭合和张开，并且是眼睛的基本功能。眨眼能保护眼睛免受异物损伤，例如当有物体意外地出现在眼睛附近时，个体便会眨眼。眨眼能通过眼泪的展布而在眼睛的前表面上提供润滑。眨眼还能从眼睛移除的污染物和/或刺激物。正常情况下，眨眼是自动进行的，但外部刺激可能会导致眨眼，例如在存在刺激物的情况下。然而，眨眼也可能是有目的的，例如对于不能通过语言或通过手势进行交流的个体可通过眨眼一次来表示“是”、通过眨眼两次来表示“否”。本发明的眨眼检测算法和系统利用不会与正常眨眼响应相混淆的眨眼图案。换句话说，如果要将眨眼作为用于控制动作的手段，则为给定动作所选择的特定图案便不会无规地出现；否则，则可能出现无意的动作。由于眨眼速度可受到若干因素(包括疲劳、眼睛受伤、用药和疾病)的影响，用于控制目的的眨眼图案优选地考虑到这些因素以及任何其他影响眨眼的变量。无意眨眼的平均长度在约一百(100)至四百(400)毫秒的范围内。一般的成年男人和女人以每分钟十(10)次无意眨眼的速率眨眼，并且两次无意眨眼之间的平均时间是0.3秒至七十(70)秒。

可将眨眼检测算法的示例性实施例归纳在以下步骤中：

1.定义使用者将执行的有意的“眨眼序列”以用于积极的眨眼检测。

2.以与所述眨眼序列的检测相符合的速率对入射光水平取样并剔除无意的眨眼。

3.将取样的光水平的历史与预期的“眨眼序列”进行比较，所述“眨眼序列”由数值构成的眨眼模板来定义。

4.任选地，实施眨眼“遮罩”序列以指示在比较期间所要忽略的模板的部分，例如近处的转变。这可允许使用者偏离所期望的“眨眼序列”，例如加一或减一(1)错误窗口，其中可能出现以下中的一者或多者：透镜激活、控制以及焦距改变。另外，这可允许改变眨眼序列的使用者时序。

示例性的眨眼序列可定义如下：

1.眨眼(闭合)0.5s

2.睁开0.5s

3.眨眼(闭合)0.5s

在一百(100)ms的取样速率下，二十(20)个样本的眨眼模板表示为：

眨眼模板(blink_template)＝[1，1，1，0，0，0，0，0，1，1，1，1，1，0，0，0，0，0，1，1]。

眨眼遮罩被定义为将在跃迁之后立即出现的样本遮去(0用于遮去或忽略样本)，并且表示为：

眨眼遮罩(blink_mask)＝[1，1，1，0，1，1，1，1，0，1，1，1，1，0，1，1，1，1，0，1]。

任选地，可遮去更宽的跃迁区域以允许更大的时序不确定性，并且表示为：

眨眼遮罩(blink_mask)＝[1，1，0，0，1，1，1，0，0，1，1，1，0，0，1，1，1，0，0，1]。

可实施替代的图案，例如单次长的眨眼，在这种情况下是具有24个样本的模板的1.5s眨眼，表示为：

眨眼模板(blink_template)＝[1，1，1，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1，1，1，1]。

重要的是应注意：上述例子只用于示例性目的，而并不代表具体的一组数据。

可通过将样本历史与模板和遮罩进行逻辑比较来实现检测。逻辑运算是逐位地对模板和样本历史序列进行异或(XOR)运算，然后验证所有未被遮罩的历史位与模板相匹配。例如，如在以上眨眼遮罩样本中所示，在眨眼遮罩的序列的值为逻辑1的每个位置上，眨眼必须与所述序列的该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为逻辑0的每个位置上，不需要眨眼与所述序列的该位置上的眨眼遮罩模板相匹配。例如，可利用如在中编码的以下布林算法方程。

matched＝not(blink_mask)|not(xor(blink_template，test_sample))，

其中test_sample是样本历史。匹配值是与眨眼模板、样本历史以及blink_mask具有相同长度的序列。如果匹配序列全部为逻辑1，则已出现了良好匹配。将其分解，not(xor(blink_template，test_sample))对每处失配均得出逻辑0，并且对每处匹配均得出逻辑1。与反相遮罩进行逻辑或运算迫使匹配序列中的每个位置在遮罩为逻辑0之处变成逻辑1。因此，在眨眼遮罩模板中，该处值被规定为逻辑0的越多，与人的眨眼相关的错误容限就越大。是用于数值计算、可视化和编程的一种高级语言和具体实施形式，并且是位于美国马萨诸塞州的Natick的MathWorks公司的产品。还重要的是应注意：眨眼遮罩模板中逻辑0的数目越大，则与预期的或所希望的眨眼图案相匹配的误报的可能性越大。应当理解，可将各种预期的或希望的眨眼图案编程到装置中，其中每次有一个或多个眨眼图案是现用的。更具体地讲，可将多个预期的或希望的眨眼图案用于同一目的或功能、或者用于实现不同的或替代的功能。例如，可利用一个眨眼图案使所希望的物体上的透镜拉近或拉远，同时可利用另一眨眼图案使透镜上的另一装置(例如泵)来递送一剂治疗剂。

图1以方框图形式示出根据本发明示例性实施例的接触透镜100，所述接触透镜包括电子眨眼检测器系统。在该示例性实施例中，电子眨眼检测器系统可包括光传感器102、放大器104、模数转换器或ADC106、数字信号处理器108、电源110、致动器113和系统控制器114。

当接触透镜100放置于使用者眼睛的前表面上时，可利用眨眼检测器系统的电子电路来实现本发明的眨眼检测算法。光传感器102以及其他电路配置成检测眨眼和/或由使用者的眼睛作出的各种眨眼图案。

在该示例性实施例中，光传感器102可被嵌入接触透镜100中并接收环境光101，由此将入射光子转换成电子并从而产生电流(由箭头103指示)，以流入放大器104中。光传感器或光检测器102可包括任何适合的装置。在一个示例性实施例中，光传感器102包括光二极管。在优选的示例性实施例中，光二极管被构建于互补金属氧化物半导体(CMOS加工技术)中，以增大集成能力并减小光传感器102和其他电路的总体尺寸。电流103与入射光水平成正比，并在光检测器102被眼睑覆盖时显著减小。放大器104产生与输入成正比的放大的输出，并可用作将输入电流转换成输出电压的转阻抗放大器。放大器104可将信号放大到可供系统的其余部分使用的水平，例如使信号具有足够的电压和功率以被ADC106获取。例如，放大器可能是驱动后续区块所需的，因为光传感器102的输出可能相当小并可能在低光照环境中使用。放大器104可被实现为可变增益放大器，其增益可由系统控制器114以反馈布置方式调整，以使系统的动态范围最大化。除提供增益外，放大器104还可包括其他模拟信号调节电路，例如适合于光传感器102和放大器104的输出的滤波电路和其他电路。放大器104可包括任何适用于放大和调节由光传感器102输出的信号的装置。例如，放大器104可只是包括单个运算放大器或者包括一个或多个运算放大器的更复杂的电路。如上文所述，光传感器102和放大器104配置成根据通过眼睛所接收的入射光强度来检测和分离眨眼序列，并将输入电流转换成最终可由系统控制器114使用的数字信号。系统控制器114优选地被预编程或预配置以在各种光强度水平条件下识别各种眨眼序列和/或眨眼图案，并向致动器112提供适合的输出信号。系统控制器114还包括相关联的存储器。

在该示例性实施例中，ADC106可用于将从放大器104输出的连续的模拟信号转换成适合于进一步信号处理的取样的数字信号。例如，ADC106可将从放大器104输出的模拟信号转换成可供后续或下游电路(例如数字信号处理系统或微处理器108)使用的数字信号。数字信号处理系统或数字信号处理器108可用于包括以下中的一者或多者的数字信号处理：滤波、处理、检测、以及以其他方式操纵/处理取样的数据，以允许入射光检测以供下游使用。数字信号处理器108可预编程有上述的眨眼序列和/或眨眼图案。数字信号处理器108还包括相关联的存储器。数字信号处理器108可利用模拟电路、数字电路、软件、或它们的组合来实施。在所示示例性实施例中，数字信号处理器108被构建于数字电路中。ADC106以及相关联的放大器104和数字信号处理器108是以与前述取样速率一致的适合的速率激活的，例如每一百(100)ms激活一次。

电源110为构成眨眼检测系统的诸多组件供电。电力可由电池、能量采集器、或本领域中的普通技术人员所知的其他适合的手段提供。实质上，可利用任何类型的电源110来为系统的所有其他组件提供可靠的电力。可利用眨眼序列来改变系统和/或系统控制器的状态。此外，系统控制器114可根据来自数字信号处理器108的输出来控制动力式接触透镜的其他方面，例如通过致动器112来改变电子控制式透镜的焦距或屈光力。

系统控制器114利用来自光传感器链的信号，即来自光传感器102、放大器104、ADC106和数字信号处理系统108的信号，以将取样的光水平与眨眼激活图案进行比较。参见图2，其示出在各种光强度水平下所记录的眨眼图案样本与时间和可用阈值水平的示意图。因此，通过考虑到各种因素，可减少和/或防止在对入射于眼睛上的光取样时的眨眼检测错误，例如考虑到在不同位置和/或在执行各种活动时光强度水平的变化。另外，当对入射于眼睛上的光取样时，通过考虑到环境光强度的变化可能对眼睛和眼睑造成的影响，也可减少和/或防止眨眼检测错误，例如在低强度光水平和高强度光水平下当眼睑闭合时眼睑阻挡多少可见光。换句话讲，为防止利用错误的眨眼图案进行控制，优选地应考虑环境光的水平，这将在下文进行更详细的解释。

例如在研究中，已发现眼睑平均能阻挡约百分之九十九(99)的可见光，但在较短的波长处，透射过眼睑的光趋于越少，从而阻挡约99.6％的可见光。在朝向光谱的红外线部分的较长波长处，眼睑可阻挡仅百分之三十(30)的入射光。然而，重要的是注意到不同频率、波长和强度的光可能以不同的效率透射过眼睑。例如，当注视亮的光源时，个体可在他或她的眼睑闭合时看到红色光。基于个体(例如个体的皮肤色素沉着)，在眼睑阻挡多少光上也可能存在变化。如图2所示，在七十(70)秒的时间间歇中模拟眨眼图案在各种光照水平下的数据样本，其中在模拟过程中记录透射过眼睛的可见光强度水平，并示出可使用的阈值。阈值被设定为处于在模拟过程中在不同的光强度水平下针对样本眨眼图案所记录的可见光强度的峰峰值之间的值。在跟踪光水平随时间的平均值并调节阈值的同时具有对眨眼图案进行预编程的能力对于能够检测某个个体何时眨眼而言可能非常重要，这与个体不眨眼时和/或仅在某一区域中存在光强度水平变化时不同。

现在再次参见图1，在其他替代的示例性实施例中，系统控制器114可从包括以下中的一者或多者的源接收输入：眨眼检测器、眼睛肌肉传感器、以及短表链控制装置。一般而言，对于本领域中的技术人员可能显而易见的是，激活和/或控制系统控制器114的方法可能需要使用一种或多种激活方法。例如，电子式或动力式接触透镜可针对个体使用者编程，例如对透镜编程以识别个体的眨眼图案和个体的睫状肌两者在执行各种动作时的睫状肌信号，例如在聚焦于远处的物体或者聚焦于近处的物体上时。在某一示例性实施例中，使用多于一种方法激活电子式接触透镜(例如眨眼检测和睫状肌信号检测)可提供在激活接触透镜之前使每种方法相互交叉检查的能力。交叉检查的优点可包括消除误报，例如使无意间触发透镜而激活的机率最小化。在一个示例性实施例中，交叉检查可涉及投票方案，其中在进行任何动作之前满足某一数量的条件。

致动器112可包括用于根据所接收命令信号来实现特定动作的任何适合的装置。例如，如果眨眼激活图案如上文所述与取样的光水平相比较是匹配的，则系统控制器114可启用致动器112，例如可变光学电子式或动力式透镜。致动器112可包括电气装置、机械装置、磁性装置、或它们的任何组合。除从电源110接收电力外，致动器112还从系统控制器114接收信号，并根据来自系统控制器114的信号产生某一动作。例如，如果系统控制器114的信号表明佩戴者正在试图聚焦于近处的物体上，则可利用致动器112改变电子式眼科透镜的屈光力，例如经由动态多液体光学区。在替代的示例性实施例中，系统控制器114可输出指示应向眼睛递送治疗剂的信号。在该示例性实施例中，致动器112可包括泵和贮存器，例如微机电系统(MEMS)泵。如上所述，本发明的动力式透镜可提供各种功能；因此，可将一个或多个致动器以不同方式构造，以实现所述功能。

图3示出根据本发明的眨眼检测算法的用于示例性眨眼检测系统的状态转变图300。系统在开始时处于IDLE状态302，等待致能信号bl_go被置位。当致能bl_go信号被置位时，例如通过与眨眼取样速率相当的以一百(100)ms速率施加脉冲bl_go的振荡器和控制电路，状态机接着转变至WAIT_ADC状态304，在该状态中，ADC被致能以将所接收的光水平转换成数字值。ADC将adc_done信号置位，以指示其操作已完成，并且系统或状态机转变至SHIFT状态306。在SHIFT状态306中，系统将最新接收的ADC输出值推至移位寄存器中，以保存眨眼样本的历史。在某一示例性实施例中，为了使存储要求最小化，首先将ADC输出值与阈值进行比较，以向样本值提供单个位(1或0)。系统或状态机接着转变至COMPARE状态308，在此状态中，如上文所述将样本历史移位寄存器中的值与一个或多个眨眼序列模板和遮罩进行比较。如果检测到匹配，则可将一个或多个输出信号置位(例如置为1)，以切换透镜驱动器的状态bl_cp_toggle或待由动力式眼科透镜执行的任何其他功能。系统或状态机接着转变至DONE状态310，并将bl_done信号置位，以指示其操作完成。

图4示出了可用于对所接收光水平进行检测和取样的示例性光传感器或光检测器信号路径pd_rx_top。信号路径pd_rx_top可包括光二极管402、转阻抗放大器404、自动增益和低通滤波级406(AGC/LPF)、以及ADC408。adc_vref信号从电源110(参见图1)输入到ADC408，或者作为另外一种选择，其可由模数转换器408内的专用电路提供。ADC408的输出adc_data被传送到数字信号处理和系统控制器区块108/114(参见图1)。尽管为易于解释起见在图1中分别被示出为个体区块108和114，然而数字信号处理和系统控制器优选地被构建于单个区块410上。致能信号adc_en、起动信号adc_start以及复位信号adc_rst_n是从数字信号处理和系统控制器410接收的，同时完成信号adc_complete被传送到数字信号处理和系统控制器410。时钟信号adc_clk可从位于信号路径pd_rx_top外的时钟源接收的，或者从数字信号处理和系统控制器410接收。重要的是应注意，adc_clk信号和系统时钟可以不同频率运行。还重要的是应注意，根据本发明可使用任何数量的不同ADC，这些ADC可具有不同的界面和控制信号，但其执行相似的功能：提供光传感器信号路径的模拟部分的输出的取样的数字表示。光检测致能信号pd_en以及光检测增益pd_gain是从数字信号处理和系统控制器410接收的。

图5示出可用于将所接收的ADC信号值adc_data减小至单个位的值pd_data的数字调节逻辑500的方框图。数字调节逻辑500可包括数字寄存器502，以从光检测信号路径pd_rx_top接收数据adc_data，从而在信号adc_data_held上提供保持值。数字寄存器502配置成在adc_complete信号被置位时在adc_data信号上接收新的值，并且在接收到adc_complete信号时保持最后接收的值。这样，一旦所述数据被锁存，系统便可禁用光检测信号路径，以降低系统的电流消耗。接着，可在阈值产生电路504中通过实施于数字逻辑中的积分加清除平均或其他平均方法对所保持的数据值进行平均，以在信号pd_th上产生一个或多个阈值。接着，可通过比较器506对所保持的数据值与所述一个或多个阈值进行比较，以在信号pd_data上产生一位数据值。应当理解，所述比较运算可利用滞后或与一个或多个阈值的比较，以使输出信号pd_data上的噪声最小化。数字调节逻辑可还包括增益调节区块pd_gain_adj508，以根据所计算的阈值和/或根据所保持的数据值通过图4所示的信号pd_gain在光检测信号路径中设定自动增益和低通滤波级406的增益。重要的是应注意，在该示例性实施例中，六位的字能在眨眼检测的动态范围内提供足够的分辨率，同时使复杂度最小化。

在一个示例性实施例中，阈值产生电路504包括峰值检测器、谷值检测器和阈值计算电路。在该示例性实施例中，可如下文所述产生阈值和增益控制值。峰值检测器和谷值检测器配置成接收信号adc_data_held上的保持值。峰值检测器还配置成提供输出值pd_pk，输出值pd_pk能快速地跟踪adc_data_held值的增大并在adc_data_held值减小时缓慢衰减。该操作类似于在电气技术领域中众所周知的传统二极管包络线检测器的操作。谷值检测器还配置成提供输出值pd_vl，输出值pd_vl能快速地跟踪adc_data_held值的减小并在adc_data_held值增大时缓慢地衰减至更高的值。谷值检测器的操作也类似于二极管包络线检测器，其中放电电阻器被连接至正电源电压。阈值计算电路配置成接收pd_pl值和pd_vl值，并且还配置成根据pd_pk值和pd_vl值的平均来计算中点阈值pd_th_mid。阈值产生电路504根据中点阈值pd_th_mid来提供阈值pd_th。

阈值产生电路504可还适于响应于pd_gain值的变化来更新pd_pk水平和pd_vl水平的值。如果pd_gain值增大一个步长，则pd_pk和pd_vl值增大一个因数，所述因数等于光检测信号路径的预期增益增大值。如果pd_gain值减小一个步长，则pd_pk值和pd_val值减小一个因数，所述因数等于光检测信号路径的预期增益减小值。这样，分别在pd_pk值和pd_vl值中所保持的峰值检测器和谷值检测器的状态、以及根据pd_pk值和pd_vl值计算出的阈值pd_th被更新以与信号路径增益的变化相匹配，从而避免仅根据光检测信号路径增益的有意变化所得到的状态或值的不连续性或其他变化。

在阈值产生电路504的另一示例性实施例中，阈值计算电路可还配置成根据pd_pk值的比例或百分比来计算阈值pd_th_pk。在优选的示例性实施例中，pd_th_pk可有利地被配置成pd_pk值的八分之七，其计算可通过简单的右移三位和减法来实现，如在本领域中众所熟知。阈值计算电路可将阈值pd_th选择成pd_th_mid和pd_th_pk中的较小者。这样，pd_th值将永远不等于pd_pk值，即使是在恒定的光长时期入射于光二极管上(这可能会导致pd_pk值和pd_vl值相等)之后。应当理解，pd_th_pk值确保在长的间歇之后能检测到眨眼。阈值产生电路的行为进一步示出于图9中，这将在下文进行论述。

图6示出了根据本发明实施例的可用于实现示例性数字眨眼检测算法的数字检测逻辑600的方框图。数字检测逻辑600可包括移位寄存器602，移位寄存器602适于从光检测信号路径pd_rx_top(图4)接收数据，或者从数字调节逻辑(图5)接收数据，如此处在具有一位值的信号pd_data上所示。移位寄存器602在此处将接收的样本值的历史保持于24位寄存器中。数字检测逻辑600还包括比较区块604，该比较区块适于接收样本历史以及一个或多个眨眼模板bl_tpl和眨眼遮罩bl_mask，并且数字检测逻辑600配置成在一个或多个输出信号上指示与所述一个或多个模板和遮罩的匹配，所述一个或多个输出信号可被保持以供后用。比较区块604的输出通过D型触发器606进行锁存。数字检测逻辑600还可包括计数器608或其他逻辑，以抑制由于遮罩操作引起的以小的移位对同一样本历史集合进行的连续比较。在优选的示例性实施例中，在发现确实匹配之后将样本历史清除或复位，因而需要取样完整的、新的匹配眨眼序列才能再识别后续匹配。数字检测逻辑600还可包括状态机或相似控制电路，以向光检测信号路径和ADC提供控制信号。在某一示例性实施例中，控制信号可由与数字检测逻辑600分开的控制状态机产生。该控制状态机可为数字信号处理和系统控制器410的一部分。

图7示出了从眨眼检测子系统向在光检测信号路径中所用的ADC(图4)提供的控制信号的时序图。致能信号和时钟信号adc_en、adc_rst_n和adc_clk是在样本序列开始时被激活的，并持续至模数转换过程完成为止。在一个示例性实施例中，ADC转换过程是当在adc_start信号上提供脉冲时开始的。ADC输出值被保持于adc_data信号中，并且过程的结束是由模数转换器逻辑在adc_complete信号上指示的。在图7中还示出了pd_gain信号，所述信号用于设定ADC之前的放大器的增益。该信号被显示为在暖机时间(warm-uptime)之前被设定，以使模拟电路偏压和信号水平在转换之前达到稳定。

图8示出了包括数字眨眼检测子系统dig_blink802的数字系统控制器800。数字眨眼检测子系统dig_blink802可由主状态机dig_master804控制并可适于从位于数字系统控制器800外的时钟产生器clkgen806接收时钟信号。数字眨眼检测子系统dig_blink802可适于向如上文所述的光检测子系统提供信号以及从光检测子系统接收信号。除包括用于控制眨眼检测算法中的运算序列的状态机之外，数字眨眼检测子系统dig_blink802还可包括上文所述的数字调节逻辑和数字检测逻辑。数字眨眼检测子系统dig_blink802可适于从主状态机804接收致能信号，并向主状态机804提供完成或结束指示以及眨眼检测指示。

图9提供了波形(图9A-9G)，以示出阈值产生电路和自动增益控制(图5)的操作。图9A示出了由可响应于不同光水平的光二极管提供的光电流与时间的关系的例子。在曲线图的第一部分中，与在曲线图的第二部分中相比，光水平和所得的光电流相对较低。在曲线图的第一部分和第二部分两者中，均看到有两次眨眼以减小光和光电流。应注意，由眼睑造成的光的衰减可能不是百分之一百(100)，而是较低的值，该值取决于眼睑对入射于眼睛上的光波长的透射特性。图9B示出了响应于图9A的光电流波形而捕获的adc_data_held值。为简明起见，adc_data_held值被示出为连续的模拟信号而不是一系列离散的数字样本。应当理解，数字样本值将对应于图9B中在对应样本时刻所示的水平。在曲线图顶部和底部处的虚线指示adc_data信号和adc_data_held信号的最大值和最小值。最小和最大值之间的范围也称为adc_data信号的动态范围。如下文所述，在曲线图第二部分中的光检测信号路径增益是不同的(较低)。一般而言，adc_data_held值与光电流成正比，并且增益变化仅影响比例性的比率或常数。图9C示出了由阈值产生电路响应于adc_data_held值而计算的pd_pk、pd_vl和pd_th_mid值。图9D示出了在阈值产生电路的某一示例性实施例中响应于adc_data_held值而计算的pd_pk、pd_vl和pd_th_pk值。应注意，pd_th_pk值始终是pd_Pk值的某一比例。图9E示出了adc_data_held值以及pd_th_mid和pd_th_pk值。应注意，在其中adc_data_held值相对恒定的长时间周期中，随着pd_vl值衰减至同一水平，pd_th_mid值变得等于adc_data_held值。pd_th_pk值始终保持低于adc_data__held值某一量。在图9E中还示出了pd_th的选择，其中将pd_th值选择为pd_th_pk和pd_th_mid中的较小者。这样，阈值始终被设定为距pd_pk值某一距离，从而避免因光电流信号和adc_data held信号上的噪声而导致pd_data上出现误跃迁。图9F示出了通过将adc_data_held值与pd_th值进行比较而产生的pd_data值。应注意，pd_data信号是双值信号，其在发生眨眼时较低。图9G示出了这些示例性波形的tia_gain值相对于时间的关系。tia_gain值被设定成当pd_th开始超过在图9E中被显示为agc_pk_th的高阈值时更低。应当理解，当pd_th开始下降至低于低阈值时，会发生相似的行为而使tia_gain升高。重新参见图9A至图9E中每一个的第二部分，tia_gain降低的效果很明显。尤其应注意，adc_data_held值保持于adc_data信号和adc_data_held信号的动态范围的中间附近。此外，重要的是应注意，如上文所述根据增益变化来更新pd_pk值和pd_vl值，从而在峰值和谷值检测器状态中避免只因光检测信号路径增益引起的不连续性。

图10示出了集成电路电路小片1000上的示例性光阻挡部件和光通过部件。集成电路电路小片1000包括光通过区域1002、光阻挡区域1004、焊盘1006、钝化开孔1008、以及光阻挡层开孔1010。光通过区域1002位于光传感器(未示出)上方，例如在半导体工艺中形成的光二极管阵列。在优选的示例性实施例中，光通过区域1002使尽可能多的光到达光传感器，从而使灵敏度最大化。这可通过除去感光器上方的多晶硅、金属、氧化物、氮化物、聚酰亚胺和其他层来完成，这在用于加工或后处理的半导体工艺中是允许的。光通过区域1002也可接受其他特殊处理，以使光检测最大化，例如施加减反射涂层、滤光器、和/或漫射器。光阻挡区域1004可覆盖电路小片上不需要进行曝光的其他电路。光电流可能会使其他电路的性能劣化，例如在如上文所述的结合到接触透镜中所需的超低电流电路中使偏置电压和振荡器频率偏移。光阻挡区域1004优选地以薄的、不透明的反射材料形成，例如在半导体晶片处理和后处理中已经使用的铝或铜。如果与金属形成，则形成光阻挡区域1004的材料必须与下面的电路和焊盘1006绝缘，以防止短路状况。此类绝缘可由已经作为正常晶片钝化物的一部分存在于电路小片上的钝化物(例如氧化物、氮化物和/或聚酰亚胺)来提供或者以在后处理期间所加入的其他电介质来提供。遮蔽允许光阻挡层具有开孔1010，以便导电的光阻挡金属不与电路小片上的焊盘重叠。光阻挡区域1004被额外的电介质或钝化物覆盖，以保护电路小片并避免在电路小片附着期间短路。该最终钝化物具有钝化物开孔1008，以允许连接至焊盘1006。

图11示出了根据本发明实施例的具有电子插件的示例性接触透镜，所述电子插件包括眨眼检测系统。接触透镜1100包括软塑料部分1102，所述软塑料部分包括电子插件1104。该插件1104包括由电子器件激活的透镜1106，例如根据激活聚焦于近处或远处。集成电路1108安装于插件1104上并连接至电池1110、透镜1106、以及系统必需的其他组件。集成电路1108包括光传感器1112和相关联的光检测器信号路径电路。光传感器112穿过透镜插件面朝外并远离眼睛，因而能够接收环境光。光传感器1112可在集成电路1108上(如图所示)被构建成单个光二极管或光二极管的阵列。光传感器1112也可被构建成安装于插件1104上的单独装置并与迹线1114连接。当眼睑闭合时，包括光检测器1112的透镜插件1104被覆盖，从而使入射于光检测器1112上的光水平减小。光检测器1112能够测量环境光，以确定使用者是否在眨眼。

眨眼检测算法的附加实施例可允许眨眼序列的持续时间和间隔的更大变化，例如通过基于第一次眨眼的所测量的结束时间来对第二次眨眼的开始计时，而非通过利用固定的模板或通过加宽遮罩的“不用计”间歇(0值)。

应当理解，眨眼检测算法可构建于数字逻辑中或者在微控制器上运行的软件中。算法逻辑或微控制器可与光检测信号路径电路和系统控制器一起构建于单个应用专用集成电路(ASIC)上，或者其可横跨多于一个集成电路来划分。

重要的是应注意，本发明的眨眼检测系统具有比视力诊断、视力矫正以及视力增强更广的用途。这些更广的用途包括利用眨眼检测来为具有身体残疾的个体控制各种各样的功能。眨眼检测可被设置成睁眼或闭眼。

根据另一示例性实施例，动力式或电子式眼科透镜可结合眼睑位置传感器。已知眼睑以多种方式保护眼球，包括眨眼反射和眼泪展布动作。在感觉到对眼睛的威胁时，眼睑的眨眼反射能通过迅速地闭合来防止对眼球造成创伤。眨眼还会在眼球表面展布眼泪，以使眼球表面保持湿润并冲洗掉细菌和其他异物。但眼睑的运动也可能指示其他动作或所起的其他功能。例如，当个体聚焦于近处的物体上时，上眼睑会下垂。因此，可将对该运动的检测用作具有可变焦距光学元件的电子式眼科透镜的输入，以矫正与老花眼相关联的调节作用损失。作为另外一种选择，当个体想要聚焦于远处的物体上时，他或她可能会眯眼。可将与眯眼相关联的眼睑运动用作具有可变焦距光学元件的电子式眼科透镜的输入，以拉近远处的物体。此外，眼睑位置传感器也可用于向佩戴电子式眼科透镜的个体警示其处于睡着的危险中。还重要的是应注意，除此之外或在替代用途中，所感测的数据可只是被用作收集过程的一部分而非作为触发事件。例如，所感测的数据可被收集、记录和用于治疗疾病。换句话讲，还应当理解，利用此类传感器的装置可不以对使用者可见的方式改变状态；而所述装置只是记录数据。例如，此类传感器可用于判断使用者是否在一整天中具有正确的虹膜响应或者是否存在有问题的医疗病症。

现在参见图12，其示出了眼睛1200上的示例性眼睑位置传感器系统。所述系统被结合到接触透镜1202中。图中示出上眼睑和下眼睑，其中上眼睑按闭合度增大的次序具有可能的位置1201、1203和1205。还示出了具有对应于上眼睑的闭合度的下眼睑；即位置1207、1209和1205。当眼睑闭合时，它们占据相同的位置；即位置1205。根据本示例性实施例的接触透镜1202包括传感器阵列1204。该传感器阵列1204包括一个或多个光传感器。在该示例性实施例中，传感器阵列1204包括十二(12)个光传感器1206a-12061。当上眼睑在位置1201处且下眼睑在位置1207处时，所有光传感器1206a-12061均暴露并接收环境光，从而形成光电流，所述光电流可由本文所述的电子电路检测到。当眼睑在位置1203和1209上部分地闭合时，顶部和底部光传感器1206a和1206b被覆盖，从而接收到比其他光传感器1206c-12061少的光并输出相应较低的电流，所述电流可被电子电路检测到。当眼睑在位置1205完全闭合时，所有传感器1206a-12061被覆盖，并且电流相应地减小。该示例性系统可用于通过以下方式来检测眼睑位置：对传感器阵列中的每个光传感器取样并利用光电流输出与传感器位置的关系来确定眼睑位置。应当理解，光传感器应放置在接触透镜上的适合的位置，例如提供足够的样本位置以可靠地确定眼睑位置，同时不阻挡透明的光学区(大致由散大的瞳孔占据的区域)。该示例性系统也可用于通过对传感器例行取样并对随着时间推移的测量值进行比较来检测眼睑。眼睑位置可被控制器(未示出)用于启动某一功能。例如，当人聚焦于近处的物体(如在阅读中)上时，眼睑通常会垂下或下垂。因此，如上文所简要说明，眼睑位置可能与其他传感器结合以检测老花眼个体想要聚焦于近处的意愿。

图13示出了其中两只眼睛1300被接触透镜1302部分地覆盖的示例性系统。在两个接触透镜1302中均存在传感器阵列1304，以如上文针对图12所述来确定眼睑位置。在该示例性实施例中，接触透镜1302各自包括电子通信组件1306。每个接触透镜1302中的电子通信组件1306允许在接触透镜1302之间双向通信。电子通信组件1306可包括射频(RF)收发器、天线、用于光传感器1308的接口电路、以及相关联的或相似的电子组件。由线1310表示的通信信道可包括通过适当的数据协议以适当频率和功率进行的RF传输，以允许在接触透镜1302之间通信。两个接触透镜1302之间的数据传输可例如证实两个眼睑均已闭合，以检测真实的、有目的的眨眼而非纯粹的闪眨或无意的眨眼。所述传输还可使系统能够判断是否两个眼睑均已闭合相似的量，例如与使用者在很近距离内阅读相关联的量。也可与外部装置(例如眼镜、佩戴在使用者太阳穴上的贴片、或智能电话)发生数据传输。

图14A和14B示出了示例性电子系统1400，其中使用上文所述的眼睑位置光传感器来触发接触透镜1402或者更具体地讲动力式或电子式眼科透镜。图14A示出位于透镜1402上的示例性电子系统1400，并且图14B是系统1400的分解图。如前面参照图12所述，光1401入射于一个或多个光传感器1404上。这些光传感器1404可使用光二极管、硫化镉(CdS)传感器、或者其他适于将环境光转换成电流的技术来构建。根据对光传感器1404的选择，可能需要使用放大器1406或其他适合的电路来调节输入信号以供后续电路或下游电路使用。多路复用器1408允许单个模数转换器1410(ADC)从多个光传感器1404接收输入。多路复用器1408可紧位于光传感器1404的后面、放大器1406的前面，或者根据电流消耗、电路小片大小、以及设计复杂度的考虑因素，可不使用多路复用器1408。由于需要在眼睛上的不同位置使用多个光传感器1404来检测眼睑位置，因而共享下游处理组件(例如放大器、模数转换器、以及数字信号处理器)可显著减小电子电路所需的尺寸。放大器1406产生与输入成正比的放大的输出，并可用作转阻抗放大器以将输入电流转换成输出电压。放大器1406可将信号放大到可供系统的其余部分使用的水平，例如使信号具有足够的电压和功率以被ADC1410获取。例如，放大器1406可能是驱动后续区块所需的，因为光传感器1404的输出可能非常小并可能用于低光照环境中。放大器1406也可被构建成可变增益放大器，其增益可由系统控制器1412调节，以使系统1400的动态范围最大化。除提供增益外，放大器1406还可包括其他模拟信号调节电路，例如适于光传感器1404和放大器1406的输出的滤波电路和其他电路。放大器1406可包括任何适用于放大和调节由光传感器1404输出的信号的装置。例如，放大器1404可只包括单个运算放大器或含有一个或多个运算放大器的更复杂电路。

如上文所述，光传感器1404和放大器1406配置成在眼睛的不同位置处检测入射光1401，并将输入电流转换成最终可由系统控制器1412使用的数字信号。系统控制器1412优选地被预编程为对眼睛上的每个光传感器1404取样，以检测眼睑位置并向致动器1414提供适当的输出信号。系统控制器1412还包括相关联的存储器。系统控制器1412可将光传感器1404的新近样本与和眼睑张开位置和眯眼位置相关的预编程的图案进行比较。当所述图案与和近处调节相关联的眼睑下垂(例如上眼睑下垂)相匹配时，系统控制器1412可触发致动器1414来改变与动力式接触透镜相关联的可变屈光力光学元件的聚焦状态。可能需要记录在各种环境光下和焦距情形下的使用者眼睑图案，以对系统控制器1412进行编程以实现可靠的检测。系统1400可能需要区分在环境光、阴影、以及其他现象情形下的眼睑位置变化与正常变化。该区分可通过以下方式实现：取样频率、放大器增益、以及其他系统参数的恰当选择；使传感器在接触透镜中的放置最佳化；确定眼睑位置图案；记录环境光；将每个光传感器与相邻的和全部的光传感器进行比较；以及通过其他技术来唯一地辨别眼睑位置。

在该示例性实施例中，ADC1410可用于将穿过多路复用器从放大器1406输出的连续的模拟信号转换成适合于进一步信号处理的取样的数字信号。例如，ADC1410可将从放大器1406输出的模拟信号转换成可供后续电路或下游电路(例如数字信号处理系统或微处理器1416)使用的数字信号。数字信号处理系统或数字信号处理器1416可用于包括以下中的一者或多者的数字信号处理：滤波、处理、检测、以及以其他方式操纵/处理取样的数据，以允许入射光检测以供下游使用。数字信号处理器1416可被预编程有各种眼睑图案。数字信号处理器1416还包括相关联的存储器。数字信号处理器1416可利用以下来构建：模拟电路、数字电路、软件、和/或优选地它们的组合。ADC1410以及相关联的放大器1406和数字信号处理器1416是以与前述取样速率一致的适合的速率激活的，例如每一百(100)ms激活一次。

电源1418向构成眼睑位置传感器系统1400的诸多组件供电。电源1418也可用于向接触透镜上的其他装置供电。电力可由电池、能量采集器、或本领域中的普通技术人员所知的其他适合手段提供。实质上，可利用任何类型的电源1418来为系统的所有其他组件提供可靠的电力。从模拟形式被处理成数字形式的眼睑位置传感器阵列图案可激活系统控制器1412或系统控制器1412的一部分。此外，系统控制器1412可根据来自数字信号处理器1408的输出来控制动力式接触透镜的其他方面，例如通过致动器1414来改变电子控制式透镜的焦距或屈光力。

现在参见图15，其示出定位在接触透镜上三个不同垂直位置处的三个光传感器的示例性输出特性。输出特性可表示每个光传感器上与入射光成正比的电流或者可表示ADC(在图14的元件1410)的输出端处的下游信号(例如数字取样数据值)与时间的关系。例如当从黑暗的房间走到明亮的走廊、然后又走回到黑暗的房间时，总的入射光1502会增多、保持稳定、然后减少。如果眼睑保持张开，则所有三个光传感器1504、1506和1508将输出与环境光照相似的信号，对于光传感器1504和1508，此由虚线1501和1503示出。除环境光水平1502变化外，眼睑的眯起由位置1510指示，其不同于眼睑张开位置1512和1514。当眼睑因眯眼而闭合时，上部光传感器1504变成被上眼睑覆盖并由于该光传感器被眼睑阻挡而输出相应较低的水平。尽管环境光1502增强，但由于眼睑部分地闭合，光传感器1504接收到的光变少并输出较低的信号。对于在眯眼时被覆盖住的光传感器1508，也观察到相似的响应。中间的传感器1506在眯眼时不被覆盖，因此继续看到光水平增大，同时输出水平相应地增大。尽管该例子示出了一种特定情况，然而如何检测各种配置形式的传感器位置和眼睑运动应是显而易见的。

图16A和16B示出了被结合到接触透镜1602中的替代的示例性检测系统1600。同样，图16A示出了位于透镜1602上的系统1600，图16B则示出了系统1600的分解图。在该示例性实施例中，利用电容式触摸传感器1604代替光传感器。电容式触摸传感器在电子行业中是常用的，例如用于触摸屏显示器。其基本原理是：以实体方式构建可变电容器1604，使得电容随着接近度或触摸而变化，例如通过构建由电介质覆盖的网格来实现。传感器调节器1604形成与电容成比例的输出信号，例如，通过测量包括可变电容器的振荡器中的变化或者通过在固定频率的Ac信号下感测可变电容器对固定电容器的比率来实现。可将传感器调节器1606的输出与多路复用器1608相组合来减少下游电路。在该示例性实施例中，为简明起见，省略了相对于图14的上文所述的必要的信号调节电路。系统控制器1610通过多路复用器1608从电容传感器调节器1606接收输入，例如通过依次激活每个传感器并记录值。其可接着将测量值与预编程的图案和历史样本进行比较，以确定眼睑位置。其可接着激活致动器1612中的功能，例如使可变焦距透镜改变成较近的焦距。电容器触摸传感器1604可按与前面关于光检测器所述的图案相似的实体图案进行布置，但将被最优化以用于检测电容随眼睑位置的变化。传感器以及就此而言整个电子系统将被封装并与含盐分的接触透镜环境绝缘。由于眼睑覆盖传感器1604，将检测到电容的变化而非前面所述的环境光的变化。

重要的是应注意，如相对于图14B的光传感器所示，如果需要，可根据电容式触摸传感器使用ADC电路和数字信号处理电路。

在一个示例性实施例中，在接触透镜的周边区中而非在光学区中制作电子器件和电子互连线。根据替代的示例性实施例，重要的是应注意，电子器件的位置不必仅限于接触透镜的周边区。本文所述的所有电子组件均可利用薄膜技术和/或透明材料制成。如果利用这些技术，则电子组件可放置于任何适合的位置，只要它们与光学元件兼容即可。

数字信号处理区块和系统控制器(分别为图14B中的1416和1412、以及图16B中的系统控制器1610)的活动取决于可用的传感器输入、环境和使用者反应。输入、反应、以及判定阈值可根据以下中的一者或多者来确定：眼科研究、预编程、训练、以及自适应性/学习算法。例如，眼睑运动的一般特性可被充分记录于文献中、适用于广泛的使用者人群、以及被预编程到系统控制器中。然而，个体与一般预期响应的偏差可被记录于自适应性/学习算法的训练期间或部分中，所述算法在电子式眼科装置的操作中继续完善响应。在一个示例性实施例中，使用者可通过在使用者想要聚焦于近处时激活与装置通信的手持式短表链来训练所述装置。装置中的学习算法可接着参考在短表链信号之前与之后所存储的传感器输入，以完善内部决策算法。该训练周期可持续一天，然后装置将仅靠传感器输入来自主地操作，并且不需要短表链。

眼内透镜或IOL是被植入眼睛中并替代晶状透镜的透镜。它可用于患有白内障的个体或者只是用于治疗各种屈光缺陷。IOL通常包括小的塑料透镜，所述塑料透镜具有塑料侧面支撑件(被称为触觉学)，以将透镜在眼睛中的囊袋内保持固定。本文所述的任何电子器件和/或组件均可被以与接触透镜相似的方式结合到IOL中。

尽管所示出和描述的据信是最为实用和优选的实施例，但显而易见的是，本领域中的技术人员可以对所描述和所示出的具体设计和方法作出变更，并且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下使用这些变更形式。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 (14)

1.一种动力式眼科透镜，所述动力式眼科透镜包括：

接触透镜；以及

眼睑位置传感器系统，所述眼睑位置传感器系统被结合到所述接触透镜中，所述眼睑位置传感器系统包括传感器阵列、系统控制器、以及至少一个致动器，所述传感器阵列具有多个个体传感器以检测眼睑位置，所述系统控制器配置成对所述传感器阵列中的每个个体传感器取样以检测眼睑位置并提供输出控制信号，所述至少一个致动器配置成接收所述输出控制信号并实现预定的功能。

2.根据权利要求1所述的动力式眼科透镜，其中所述多个个体传感器包括光传感器，所述光传感器用于检测入射于眼睛上的光。

3.根据权利要求2所述的动力式眼科透镜，其中所述眼睑位置传感器系统还包括连接到所述光传感器的放大器，所述放大器配置成调节从所述光传感器输出的信号以供下游使用。

4.根据权利要求3所述的动力式眼科透镜，其中所述眼睑位置传感器系统还包括多路复用器，所述多路复用器配置成从所述放大器接收多个输入并输出单个信号。

5.根据权利要求4所述的动力式眼科透镜，其中所述眼睑位置传感器系统还包括模数转换器，所述模数转换器配置成将来自所述放大器的模拟信号转换成取样的数字信号以供进一步信号处理。

6.根据权利要求5所述的动力式眼科透镜，其中所述眼睑位置传感器系统还包括数字信号处理器，所述数字信号处理器配置成从所述模数转换器接收输出并执行包括以下中的一者或多者的数字信号处理：滤波、处理以及检测取样的数据，以允许入射光检测以供下游使用。

7.根据权利要求6所述的动力式眼科透镜，其中所述数字信号处理器包括相关联的存储器。

8.根据权利要求1所述的动力式眼科透镜，还包括电源。

9.根据权利要求1所述的动力式眼科透镜，其中所述多个个体传感器包括电容式触摸传感器，所述电容式触摸传感器用于检测接触或接近度并输出指示所述接触或接近度的信号。

10.根据权利要求9所述的动力式眼科透镜，其中所述传感器系统还包括传感器调节器，所述传感器调节器输出与电容成比例的信号以供下游使用。

11.根据权利要求10所述的动力式眼科透镜，其中所述眼睑位置传感器系统还包括多路复用器，所述多路复用器配置成从传感器导体接收多个输入并向所述系统控制器输出单个信号。

12.根据权利要求1所述的动力式眼科透镜，其中所述眼睑位置传感器系统还包括通信信道，所述通信信道用于协调各对动力式接触透镜之间的动作。

13.根据权利要求1-12中的任一项所述的动力式眼科透镜，所述接触透镜包括光学区和周边区；以及

所述眼睑位置传感器系统被结合到所述接触透镜的所述周边区中。

14.一种动力式眼科透镜，所述动力式眼科透镜包括：

眼内透镜；以及

眼睑位置传感器系统，所述眼睑位置传感器系统被结合到所述眼内透镜中，所述眼睑位置传感器系统包括传感器阵列、系统控制器、以及至少一个致动器，所述传感器阵列具有多个个体传感器以检测眼睑位置，所述系统控制器配置成对所述传感器阵列中的每个个体传感器取样以检测眼睑位置并提供输出控制信号，所述至少一个致动器配置成接收所述输出控制信号并实现预定的功能。