CN107708793B - 像素单元回路及植入物 - Google Patents

Abstract

像素单元回路包括电极、电耦合到电极的一个或多个主光敏元件，以及分流装置,其中，主光敏元件响应于光照明，把刺激信号输出到电极，所述分流装置包括穿过一个或多个光敏元件并联电耦合的分流开关，以及以可操作的方式耦合到分流开关的控制装置，所述控制装置配置为响应于在像素单元处接收到的入射光，而使分流开关处于打开状态，并且如果在像素单元处没有接收到入射光，则使分流开关处于关闭状态。

Description

像素单元回路及植入物

技术领域

本发明涉及微电子装置，尤其是，涉及光敏像素阵列以及具有这种像素阵列的植入物。

背景技术

人们知道，视网膜植入系统能够至少局部地恢复失明患者的视力，例如，由于诸如色素性视网膜炎那样的退行性疾病而失明的患者。通过研究开发出以下事实：可以绕过视网膜的退化组织，并且对其余视网膜细胞进行电刺激，利用这一事实，视力可通过植入物至少恢复到一定程度。可以借助于植入系统来提供这种电刺激。众所周知，可以通过植入物人为地刺激和激活神经组织，所述植入物通过电极把电流脉冲传递到神经元细胞。电流传递导致穿过神经元细胞膜的电位变化，由此可以开启神经元动作电位，这是神经系统中信息传递的手段。根据这一机制，可以通过编码感觉信息输入把信息输入到神经系统，所述感觉信息是作为一系列电脉冲输入的，通过植入系统把所述电脉冲转发到神经系统。这样，就可以提供包括视力在内的人工生成的感觉。这种系统通常包括放在患者眼睛前面的头戴装置(例如，以眼罩的形式)以及包括多个电极的植入物，尤其是视网膜下植入物。

通常在这些眼罩中设置摄像机。摄像机适合捕捉患者前方的视觉场景。通过计算机处理所捕捉的该场景信息，并将其转换为相关的光脉冲信号。植入物适合接收这些光脉冲，并且，作为响应，将光转换为刺激视网膜内其余细胞的电流。

为此目的，植入物包括电隔离像素的阵列，其中，每个像素包括一个或多个诸如光电二极管那样的光敏元件以及刺激电极。光敏元件接收光脉冲并把光输入携带的信息转换为可以传递到电极的电信号。

在2012年《自然光子学》第6卷，第391-397页发表了由Mathieson等人编著的《具有较高像素密度的光伏视网膜假体》，该文中描述了包括光敏像素阵列的视网膜植入物的实例。在这种系统中，植入物包括像素单元的阵列，每个像素单元都实现具有光电二极管元件的光接收器像素阵列的微电子电路，用于把所接收的脉冲近红外(～900nm)光转换为能够刺激视网膜神经元的电流的双向脉冲。尽管可将像素单元的阵列限制在单个单元，但是通常包括与刺激眼睛组织的理想空间分辨率相对应的多个像素单元回路。

为了提高包括光敏像素阵列在内的这些植入物的性能，例如，通过增加视网膜刺激的质量、时间或空间分辨率、视敏度等，已经有人提出增加超出现有技术约为30Hz的频率之外的可以达到的光脉冲重复频率，有可能靠近约为1000Hz或者更高的视网膜细胞的原始时间分辨率。

以半导体光电二极管的形式实现现有技术视网膜植入物的微电子学实施中的光敏元件。由刺激电极和光电二极管构成的电路需要(寄生)电容，流入和流出这些电容的电流使所述电容交替地充电和放电。充电阶段(在光脉冲打开的情况下)取决于光诱致的光电流，而放电(光关闭)取决于经由组织通过高抗阻路径流动而返回电极的电流。由于该阻抗把放电电流限制到比光电流小得多的值，所以与充电时间相比，放电时间可以变长。

另一个刺激光脉冲到达同一个植入物像素时的不完全放电，减少这第二个刺激脉冲的可达到的电荷注入，并因此限制植入物像素的刺激效率。因此，如果要保持某个最低刺激效率，以影响刺激的可实现的时间分辨率，那么发送到一个植入物像素的刺激光脉冲的重复率变得有限(见2011年Loudin等人编著的内容，《关于生物医学电路和系统的IEEE汇刊》，5，468-480)。看来，实际上，光伏电流(以及刺激效率)随着递增的光脉冲以指数的方式减少(Loudin等人，2011，见上)。为了加速光脉冲之间的电极放电并因此避免电荷积聚以及相关的具有连续脉冲的电流的减少，已经有人提出添加分流电阻。例如，Wang等人(2012年《神经工程学杂志》，9，1-11)描述了添加分流电阻有助于加速刺激波形的放电阶段，或者Loudin等人(2011年，《关于生物医学电路和系统的IEEE汇刊》，5，468-480)建议把分流电阻用于视网膜假体中的光电二极管电路。分流电阻使得在光脉冲的第一阶段传递的电荷能够更加迅速地放电，但是也影响实际传递到组织的电荷。例如，已经表明：如果分流电阻的电阻过高，则电极在脉冲之间不会完全放电，而且电荷聚集在电极上会减少连续脉冲过程中传递的电荷量。结果，只要把固定值电阻器用作分流装置，便在可实现的刺激效率与刺激的时间分辨率之间存在着权衡。因此，在现有技术实施过程中，优化分流电阻值，以使这两个相冲突的参数之间达到一定的折衷(Boinagrov等人，2015年1月，《关于生物医学电路和系统的IEEE汇刊》的《神经刺激的光伏像素：电路模型与性能》)。

因此仍需要提供改进的像素单元回路和植入物，诸如光伏视觉植入物，其包括解决了上述弊端的光伏视觉植入物，所述光伏视觉植入物并且能够通过超过大约30Hz的光脉冲率进行刺激，更具体地说超过大约50Hz，乃至更具体地说超过大约100Hz，而不会降低电极刺激效率。换言之，需要微电子装置，其将打破可达到的刺激脉冲重复频率与刺激效率之间的不利的相互依赖。

发明内容

因此，本发明的一个特殊目的是相对于满足该需求的光脉冲重复频率而言提供最佳像素单元回路。为实现这一目的所采用的方法用自适应的可变电阻器代替固定值分流电阻，所述可变电阻器是取决于刺激过程的状态的电阻。

本发明进一步提供植入物，诸如视觉植入物，其包含或实现所述最佳像素单元回路。

根据本发明，通过根据独立权利要求1的像素单元回路解决了所述问题。有利的发展是从属权利要求的主题。

最好，本发明提供像素单元回路，所述像素单元回路可以通过超出大约30Hz的光脉冲率运行，更具体而言超过大约50Hz，乃至更具体而言超过大约100Hz。

本发明进一步提供植入物，诸如视觉植入物，其包括或实现可以通过超出大约30Hz的光脉冲率运行的所述像素单元回路，更具体而言超过大约50Hz，乃至更具体而言超过大约100Hz。

本发明进一步提供像素单元回路和植入物，诸如包括或实现所述像素单元回路的视觉植入物，所述像素单元回路可以通过约为1000Hz的光脉冲率运行。

根据本发明的一个实施例，提供像素单元回路，所述像素单元回路包括一个或多个主光敏元件、至少一个电极以及分流装置，最好，所述电极为刺激电极，所述分流装置包括：

(i)穿过一个或多个主光敏元件并联电耦合的分流开关，以及

(ii)以可操作的方式耦合到分流开关的控制装置，将所述控制装置配置为响应于像素单元处接收到的入射光，而使分流开关处于打开状态；并且如果在像素单元处没有接收到入射光，则使分流开关处于关闭状态。

发明人现已表明，利用根据本发明的分流装置能够接近理想情形，所述理想情形使分流电阻在光输入开始阶段接近无穷大阻值以及在放电阶段接近零阻值，因此使电荷转移效率最高，使放电时间最短，所述放电时间限制了在现有技术中所观察到的光脉冲重复频率。

根据一个特殊实施例，分流开关实施为MEMS(微机电系统)或NEMS(纳米机电系统)装置。

根据另一个特殊实施例，分流开关是以半导体为基础的有源部件，例如晶体管。根据一个具体实施例，分流开关实施为FET(场效应晶体管，例如，金属氧化物半导体(MOS)晶体管)的形式或为双极晶体管的形式。

根据另一个特殊实施例，将控制装置配置为响应于在一个或多个主光敏元件处接收到的入射光，而使分流开关处于打开状态，并且如果在一个或多个主光敏元件处没有接收到入射光，则使分流开关处于关闭状态。

根据另一个特殊实施例，控制装置包括辅助光敏元件，并将所述控制装置配置为响应于在所述辅助光敏元件处接收到的入射光，而使分流开关处于打开状态，并且如果在所述辅助光敏元件处没有接收到入射光，则使分流开关处于关闭状态。

根据另一个特殊实施例，控制装置包括开关控制装置、电源装置以及定时控制装置，所述电源装置配置为给开关控制装置供电，所述定时控制装置配置为给开关控制装置生成定时信号，其中，所述开关控制装置配置为根据所述定时信号控制分流开关的运行。

根据另一个特殊实施例，所述电源装置包括储存电容器，所述储存电容器一方面电耦合到像素回路的参考电位，另一方面通过另一个开关电耦合到节点，所述节点连接电极与一个或多个主光敏元件，开关控制装置进一步配置为以定时信号为基础控制电源开关的运行。

根据另一个特殊实施例，定时控制装置包括辅助光敏元件，所述辅助光敏元件串联地电耦合到负载，其中，负载电耦合到节点，所述节点连接电极与一个或多个主光敏元件。

根据另一个特殊实施例，开关控制装置配置为响应于表示在像素单元处接收到入射光的定时信号，而打开分流开关，然后关闭电源开关；并且响应于表示在像素单元处不再接收到入射光的定时信号，而打开电源开关，然后关闭分流开关。

根据一个具体实施例，所述像素单元回路进一步包括至少一个对电极，也称为返回电极。根据本发明的另一项开发，对电极设置在刺激电极周围。添加地或者作为选择，可将对电极设置在至少一个光敏元件周围。在本发明的语境中“设置在周围”一词应理解为对电极具有侧向尺寸，该侧向尺寸围绕由刺激电极或者由至少一个光敏元件界定的区域延伸。在提供多个光敏元件的情况下，可将对电极设置在一个或所有光敏元件周围。最好，对电极围绕刺激电极对称设置。

根据另一个特殊实施例，按组选择光敏元件，所述组包括光电二极管、光电晶体管、光敏电阻或者其它光敏半导体装置。

根据一个优选实施例，主光敏元件和辅助光敏元件以半导体光电二极管的形式实施。

根据另一个特殊实施例，本发明提供本文所公开的利用CMOS制造工艺兼容部件实施像素单元回路。

根据本发明的另一方面，提供了一种具有光敏像素阵列的植入物，其中，所述阵列包括根据本发明的至少一个像素单元回路。通过给植入物提供光敏像素阵列，植入物呈现为光敏植入物，这样可以给神经组织提供电刺激。尤其是，植入物可以给患者眼睛的视网膜组织提供电刺激。作为选择，只要植入物的位置使之能够曝光(透明组织，…)，本发明的植入物便能够给患者的任何神经组织提供电刺激。

在一个优选实施例中，植入物是视网膜下植入物。能够将植入物放置在患者眼内，即在视网膜下，从而避开视网膜的任何受损组织。因此，可以靠近敏感神经细胞产生电脉冲，所述敏感神经细胞在视网膜中仍起作用。有利的是，光敏植入物还包括密封层或密封涂层，从而保护植入物结构，免受腐蚀或损坏。

本发明的另一方面是视觉假体，其包括本发明的植入物和摄像机。

本发明的另一方面是神经刺激方法，其包括：靠近神经组织植入本发明的植入物，以及按照超出大约30Hz的光脉冲率刺激所述神经组织，更具体而言，所述光脉冲率超过大约50Hz，乃至更具体而言，所述光脉冲率超过大约100Hz。通常，光脉冲是红外光脉冲。

应理解，本发明可以多种方式执行和使用，包括但不仅限于工序、装置、系统、设备以及目前已知和未来开发的应用方法。通过以下说明以及附图，在此公开的本发明的这些特征以及其它特征将变得更加显而易见。

附图说明

参考附图，在以下说明中，将可以看到本发明的更多细节、优选实施例和优点，在附图中：

图1是阐释了利用分流电阻的像素单元回路的示意图；

图2a、图2b和图2c阐释了由图1的像素单元回路产生的一系列光脉冲以及电流脉冲；

图3是阐释了根据本发明的像素单元回路的示意图。

图4是阐释了根据本发明的像素单元回路的示意图。

具体实施方式

为了简单、清晰地阐释，各图阐释了普通构建方式，并且可以忽略关于众所周知的特征和技术的说明和细节，以避免不必要地模糊关于本发明的所述实施例的讨论。

此外，各图中的元件不一定是按比例绘制的。例如，各图中某些元件的尺寸可能相对于其它元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。某些图可能以理想的方式显示，以有助于理解，比如结构显示为具有在实际情况下可能明显不够对称、有序的直线、锐角和/或平行平面等等时便是如此。

各图中相同的标号指代相同的元件，而相似标号可以指代，但不一定指代相似元件。

此外，应该认识到，本文讲授的内容显然可以通过多种形式体现，而且本文公开的任何具体结构和/或功能仅是代表性的。尤其是，本领域技术人员将会理解，本文公开的某一方面可以独立于任何其它方面来实施，而且可以不同的方式将若干个方面相结合。

“包含”、“包括”、“具有”这些字眼及其任何的变化，用来涵盖非排他性的包含，这样，包括元件清单的工序、方法、条款或仪器不一定仅限于这些元件，而是可能包括未明确列出的或者这种工序、方法、条款或仪器固有的其它元件。

“示例性”一词在此用来表示“用作实例、例子或阐释”。文中被描述为“示例性”的任何实施例或设计理解，不一定认为它比其它实施例或设计优选或有利。

在以下的说明和权利要求中，可以连同其派生词一起使用术语“耦合”和“连接”。在特殊实施例中，可以用“连接”表示两个或更多个元件彼此处于直接的物理接触或电气接触。“耦合”可意味着两个或更多个元件处于直接的物理接触或电气接触。然而，“耦合”也可能意味着两个或更多个元件并非彼此直接接触，但是仍然相互配合或者相互作用。

图1显示了利用分流电阻(11)的示例性的普通光电二极管像素回路(10)。图1显示了串联电耦合的两个光电二极管元件(12a，12b)，一个光电二极管电耦合到参考电位，例如，连接到返回电极，另一个光电二极管连接到刺激电极(13)。平行于光电二极管元件(12a，12b)安装分流电阻(11)，从而减少光电二极管元件(12a，12b)的寄生电容(14)(在图中用虚线表示)以及刺激电极(13)的放电时间。

图2a显示了用于刺激图1所示的类型的光电二极管像素回路的一系列理想方形光脉冲。用于刺激视网膜植入物像素的单光脉冲，可具有相对于前一个脉冲的可变振幅、可变脉冲宽度以及可变初动时间。在暴露于如图2a所示的光脉冲形式的光刺激时，电流开始流过刺激光电二极管(12a，12b)流动，通过电极把电荷传递到组织。图2b阐释了穿过刺激光电二极管(12a，12b)的电压，所述电压从静止水平增加到最高水平，例如，所述静止水平为零或接近零的水平，所述最高水平取决于光电二极管元件(12a，12b)的特征以及分流电阻(11)的值。

在光脉冲末端，光电二极管元件停止接收光，穿过光电二极管元件(12a，12b)的电压开始朝静止水平下降。如此衰减的时间常数取决于主要出现在电极(13)和光电二极管(12a，12b)的(寄生)电容(14)以及分流电阻的值。在没有分流电阻的情况下，衰减时间常数变得最慢。

因此，在光刺激过程中，穿过刺激光电二极管(12a，12b)的电压增加的阶段(21)之后是该电压下降的阶段(22a)，其响应于光脉冲(20a)的结束，即光电二极管元件(12a，12b)的光刺激的结束。下降阶段(22a)的持续时间在某种程度上与寄生电容(14)的放电时间相对应。可通过分流电阻的运行来减少该放电时间，比如图1所示的分流电阻(11)，分流电阻的作用是捕捉某些电流的电流路径，否则所述电流会在增加阶段(21)期间部分地流过电极(13)和神经组织(使刺激起作用)，而在下降阶段(22b)期间使寄生电容(14)放电。

图2a进一步显示了一系列光脉冲(20a，20b，20c)中第一个光脉冲(20a)之后的第二个光脉冲(20b)，通过小于减少时间的持续时间将其间隔开，所述减少时间与利用分流电阻(11)时的下降阶段(22b)相对应。因此，在穿过刺激光电二极管(12a，12b)的电压回到静止水平之前，即在电压下降阶段(22b)结束之前，开始这第二个光刺激。

在第二个光脉冲(20b)开始时穿过刺激光电二极管(12a，12b)的其余较高电压水平，导致响应于第二个光脉冲(20b)通过刺激光电二极管(12a，12b)以及通过电极(13)的电流的下降，并因此导致可供刺激神经组织使用的电流减少。

图2a还显示了一系列光脉冲(20a，20b，20c)中第二个光脉冲(20b)之后的第三个光脉冲(20c)，其间隔开小于减少时间的持续时间，所述减少时间与利用分流电阻(11)时的下降阶段(22b)相对应。如图2c所示，因为第三个光脉冲(20c)开始时，穿过刺激光电二极管(12a，12b)的电压进一步增加，所以可供使用的刺激电流进一步减少。因此，如果需要保持一定的刺激电流幅度，那么用于刺激的光脉冲的重复率便受限于下降阶段(22b)，这样形成了像素回路(10)的限制。

此外，以固定值欧姆电阻器为基础的分流器的使用提出了确定分流电阻器的欧姆值的问题。分流电阻器值的选择将是可以给刺激脉冲施加的通过减少分流电阻值而增加的速率与刺激效率之间权衡的结果。选择的分流电阻的欧姆值越低，则在光刺激脉冲过程中以电极刺激效率为代价的流过分流电阻的电流就越多。相反，选择的分流电阻的欧姆值越高，则流过分流电阻的电流越少，包括在寄生电容放电阶段，因此增加放电时间。

这表明使用分流电阻的像素回路(10)可能不适合需要高时间分辨率或者高刺激速率的用途。例如，在利用ATIS(《基于时间的异步图像传感器》)型的以事件为基础的视力传感器捕捉视觉场景的情况下，比如在《基于时间的异步图像传感器》(C.Posch等人，2008年《IEEE电路与系统国际会议》第2130-2133页)或者《具有无损像素级视频压缩和时域CDS的QVGA143dB动态范围无帧PWM图像传感器》(C.Posch等人，46(1)：259275，2011)中所述的传感器，耦接到ATIS摄像机输出端的投影仪装置可以产生一系列光脉冲，其时间分辨率高达1毫秒(或者临时刺激速率高达1000Hz)。

更普遍而言，近来的研究已经表明朝向约为1000Hz的视网膜细胞原始时间分辨率把可能性刺激速率增加到约为30Hz的现有技术速率以外会大幅度提高视网膜刺激的质量。

图3显示了根据本发明的光电二极管像素回路，其利用分流开关装置代替图1所示的分流电阻。

在一个或多个实施例中，可以利用以有源半导体为基础的装置来实现分流开关装置，例如，晶体管装置(例如，FET晶体管或双极晶体管)。在这种实施例中，可以与刺激光脉冲同相地控制分流开关装置中使用的晶体管的栅极或基极。

作为选择，可以按照微机电系统(MEMS)装置或纳米机电系统(NEMS)装置的形式提供分流开关装置，例如，微机械开关，将其设计为在分路管线中达到短路或开路，所述分路管线并联地电耦合到一个或多个光伏光电二极管。

在一个或多个实施例中，可以利用控制信号来实施分流开关装置运行的定时，所述控制信号把来自于光输入端的定时信息携带到像素。在某些实施例中，可利用额外的小光电二极管来生成这种控制信号。作为选择，或者添加地，控制信号携带的定时信息可能来自于流过主光电二极管的电流。

图3显示了串联电耦合的两个光电二极管元件(32a，32b)，一个光电二极管电耦合到参考电位(35)，例如，连接到返回电极，另一个光电二极管电耦合到像素回路电极(33)。将光电二极管元件(32a，32b)设置为接收光，并把接触光转换为来自穿过组织的电极的刺激电流。具有相关领域一般技术的人员将会认识到，可以采用把入射光转换为电信号的任何适当光传感器装置来代替光电二极管元件(32a，32b)，这仅由实例给出。

此外，本发明不仅限于光电二极管元件或光敏元件的特殊设置，而且本发明的实施例可以采用单个光电二极管元件或者两个或更多个元件的组合。开关S1(31)是分流装置，提供所述分流装置，以便减少电路(30)尤其是电极(33)和光电二极管元件(32a，32b)的寄生电容的放电时间，并且增加穿过电极(33)的组织刺激效率，并且平行于光电二极管元件(32a，32b)对其进行安装。控制装置(34)具有开关S1(31)，用于控制包括电源在内的运行。

设置为分流装置的开关优于固定欧姆分流电阻器的优点在于它可以接近理想情形，该理想情形在光输入开始阶段具有无穷大阻值，而在放电阶段具有零电阻，这样，所述开关既可以使电荷转移效率最高，又可以使放电时间最短，所述放电时间限制传递到组织的刺激电流脉冲穿过电极(33)的重复率。如上所述，使用固定欧姆分流电阻器需要确定电阻器的欧姆值，该值会反映出刺激效率与重复率之间的折衷。利用提供分流的开关装置可有利地克服这种折衷。

在运行中，控制装置(34)设计成响应于在光电二极管元件(32a，32b)处接收到入射光，使开关S1(31)处于打开状态，由此，在开关S1(31)线中达到高电阻，并且响应于在光电二极管元件(32a，32b)处没有接收到入射光，使开关S1(31)处于关闭状态，由此，在开关S1(31)线中达到低电阻。

通过把光传递到光电二极管元件(32a，32b)而开始刺激，例如通过接通光源，所述光源把光传递到电路(30)。响应于在光电二极管元件(32a，32b)处接收到光，电流开始流过光电二极管元件(32a，32b)，通过电极(33)把电荷传递到组织。控制装置(34)设计成打开开关S1(31)，从而防止被光电二极管元件(32a，32b)传递的部分电流流过分流电路(而不是穿过组织)而流到返回电极，因此这部分电荷不参与刺激。因为分流开关平行于光电二极管元件安装，所以在某些实施例中最好把控制装置配置为在电流开始流过光电二极管元件(32a，32b)流动之后很快打开开关S1(31)。同样，更可取的是，在某些实施例中，控制装置可配置成其在光电二极管元件(32a，32b)处接收到入射光结束之后很快关闭开关S1(31)。例如，在通过光脉冲刺激电路(30)的情况下，在某些实施例中，控制装置最好配置成在刺激光脉冲达到后很快使分流开关处于打开状态，并且在刺激光脉冲结束后很快使分流开关处于关闭状态，并在足够长的时间内将开关保持在这个状态，以便电路(30)的寄生电容能够完全放电。

因此在某些实施例中，可以利用流过光输入端流动到光电二极管元件(32a，32b)的电流，来实现分流开关S1(31)运行的定时，所述光电二极管元件(32a，32b)是主要光传感器元件，将所述主要光传感器元件配置为接收光刺激，光电二极管像素回路(30)暴露于所述光刺激。

在其它实施例中，作为选择或添加利用因为光输入而流过光电二极管元件(32a，32b)的电流，可以利用额外的小光电二极管实现分流开关S1(31)运行的定时，所述小光电二极管的位置最好接近其它光电二极管，也就是，在图3所示的示例性实施例中，接近光电二极管元件(32a，32b)。

根据实施例，可以执行给开关S1(31)和控制装置(34)提供电源的不同方式。在包括光敏元件的植入物中实施的像素回路的具体情况中，比如所述光敏元件为光电二极管元件，在某些实施例中，利用通过光敏元件本身传递的电源电压是有利的。

图4显示了根据包括控制装置的示例性实施例的光电二极管像素回路(40)，其中电源电压通过光敏元件提供。

如图4所示，两个光电二极管元件(42a，42b)串联电耦合在一起，使一个光电二极管电耦合到参考电位(45)，例如，连接到返回电极，使另一个光电二极管电耦合到像素回路电极(43)。将光电二极管元件(42a，42b)设置为接收光，并将接触光转换为来自穿过组织的电极的刺激电流。相关领域中具有一般技术的人员将会认识到，可以采用把入射光转换为电信号的任何适当光敏元件来代替光光电二极管元件(42a，42b)，这仅借助于实例给出。

与图3所示电路相似，开关S1(41)是平行于光电二极管元件(42a，42b)安装的分流装置。控制装置(44)具有用于控制包括电源在内的运行的开关S1(41)。控制装置(44)包括开关控制装置(46)、在没有光的情况下给开关控制装置(46)提供电源的电源装置以及定时控制装置。

电源装置包括串联电耦合的第二个开关S2(47)以及储存电容器(49)，所述储存电容器(49)的一端电耦合到参考电位(45)，另一端电耦合到开关S2(47)的一个末端，而开关S2(47)另一端电耦合到光电二极管元件(42a，42b)，例如电耦合到光电二极管元件(42a，42b)与电极(43)之间的节点(B)。

定时控制装置用于控制分流开关S1(41)以及第二个开关S2(47)的运行的定时，并且包括辅助光电二极管元件(50)(或者，根据实施例，任何适当的光传感器装置)，所述辅助光电二极管元件一方面电耦合到参考电位(45)，另一方面电耦合到负载(48)。辅助光电二极管(50)通过节点(A)与开关控制装置(46)之间的电气连接件进一步电耦合到开关控制装置(46)，所述节点(A)位于辅助光电二极管(50)与负载(48)之间。负载的另一端电耦合到光电二极管元件(42a，42b)，例如，电耦合到光电二极管元件(42a，42b)与电极(43)之间的节点(B)。

将开关控制装置(46)配置为根据从定时控制装置接收的定时信号来控制分流开关S1(41)的运行以及第二个开关S2(47)的运行。

图4中所示的电路设计成在有光的情况下使光电二极管像素回路(40)的任何有源电路都由主光敏元件产生的电压供电，也就是，光电二极管元件(42a，42b)。为了使电路(40)在没有光照射到主光敏元件(42a，42b)上的时候也是有源的，至少在光停止接触光敏元件(42a，42b)之后的某些时间产生电源电压。在图4所示的示例性实施例中，利用一个或若干个储存电容器(49)来实现这一点。相关领域中具有一般技术的人员将会认识到，可以利用任何适当的装置或部件来代替储存电容器(49)，这仅借助于实例给出。

在某些实施例中，在由主光敏元件(42a，42b)产生的电压不足以或者不适合给分流控制装置提供电源的情况下，可以在像素中产生适当的电源电压，例如，通过采用电荷泵电路(图中未显示)。

在运行过程中，通过接通光源启动与图2a所示类型的刺激光脉冲相对应的刺激周期，所述光源把光传递到电路(40)。电流开始流过刺激光电二极管(42a，42b)，把电荷经由电极(43)传递到组织。同时，流过辅助光电二极管(50)的电流致使光电二极管(50)与其负载(48)之间的节点(A)处的电压跌落到接近参考电位的水平，因为辅助光电二极管相当于电耦合到参考电位(45)的理想电源。由于把控制块(46)电耦合到位于辅助光电二极管(50)与其负载(48)之间的节点(A)，所以控制块(46)在节点(A)处接收作为控制信号的电压。响应于在节点(A)跌落到接近参考电位的水平的电压，开关控制块(46)打开开关S1(41)并关闭S2(47)。因此储存电容器(49)得以充电到穿过光伏刺激光电二极管(42a，42b)发展的电压，也就是，在图中，在位于负载(48)与电极(43)之间的节点(B)处的电压，因为储存电容器(49)一端电耦合到参考电位(45)，另一端通过关闭的开关S2(47)电耦合到节点(B)。

刺激结束时，切断光，并且应该尽快使电路(40)的寄生电容放电，尤其是使光伏刺激光电二极管(42a，42b)和电极(43)放电，以便为下一个刺激循环做准备。

在没有光刺激的情况下，辅助光电二极管(50)相当于打开的电路(所述具有零电流的电源)，以至于位于辅助光电二极管(50)与其负载(48)之间的节点(A)处的电压增加，再次达到位于负载(48)与电极(43)之间节点(B)处的电压。开关控制装置(46)检测到穿过把开关控制装置(46)耦合到节点(A)的线路的节点(A)处电压的变化，并且通过开关控制装置电路关闭开关S1(41)，结果是穿过光伏刺激光电二极管(42a，42b)的电压崩溃。由此实现光伏刺激光电二极管(42a，42b)和电极(43)的寄生电容的快速放电。

为了使开关控制装置电路在利用储存电容器(49)的该阶段继续运行，开关控制装置(46)在关闭开关S1(41)之前已经暂时打开开关S2(47)，有效地防止储存电容器(49)也通过开关S1(41)放电。从这个时间点开始(打开开关S2(47)之后)，储存电容器(49)给开关控制块提供电源。为此，把开关控制块的电源终端电耦合到储存电容器(节点(C))未耦合到参考电位(45)的一侧。开关S2(47)和S1(41)的运行的定时来自于开关辅助光电二极管(50)上方节点(A)处的电压切换，在切断光之后，所述电压迅速上升。在放电阶段结束后，电路(40)进入静止状态，并且准备接收重新开始上述过程的新的刺激光脉冲。

图5显示了开关控制块(图4中的46)的示例性实施例。把开关控制块的输入节点(54)连接到图4的节点(A)，使该节点处的电压驱动逻辑反相器(52)的输入端。把该反相器的输出端连接到作为NMOS(N沟道增强型场效应管)晶体管实施的控制开关S2(57或图4中的47)，其中把一系列这种晶体管连接到节点(B)，并把源头连接到节点(C)。把同一反相器(52)的输出端也连接到第二个反相器(53)的输入端。把这第二个反相器(53)的输出端连接到作为NMOS晶体管实施的控制开关S1(51或图4中的41)，其中把一系列这种晶体管连接到节点(B)，并把源头连接到参考电位(55或图4中的45)。两个反相器(52，53)的电源连接件都连接到节点(C)，并且把两个反相器(52，53)的接地线都连接到参考电位(55或图4中的45)。

尽管参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将容易地认识到，在不脱离所附权利要求规定的本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行改变和/或修改。

尽管已经在某些优选实施例的背景下披露了本发明，但应理解，可以在各种其它实施例中实现系统、装置和方法的某些优点、特征以及各方面。此外，设想在此所述的各方面和特征可以分开实践、结合在一起或者相互替换，而且可以进行特征和方面的各种组合以及子组合，这仍落入在本发明的范围内。此外，上文所述的系统和装置不需包括优选实施例中所述的所有模块和功能。

可利用任何各种不同的技术和技巧来表示在此所述的信息和信号。例如，可以通过电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子或者其任意组合，表示数据、指令、命令、信息、信号、数位、符号或芯片。

根据实施例，可以按照不同的顺序执行本文所述的任何方法的某些行为、事件或功能，可将其增加、合并或者略去(例如，方法的实践并非需要所述的所有行为或事件)。而且，在某些实施例中，可以同时执行而非相继地执行某些行为或事件。

Claims (11)

1.像素单元回路，其包括：

·至少一个电极；

·电耦合到所述电极的至少一个主光敏元件，其响应于光照明，把刺激信号输出到所述电极；

·分流装置，包括：

o穿过一个或多个主光敏元件并联电耦合的分流开关，以及

o以可操作的方式耦合到所述分流开关的控制装置，所述控制装置配置为响应于在所述像素单元处接收到的入射光，而使所述分流开关处于打开状态，并且如果在所述像素单元处没有接收到入射光，则使所述分流开关处于关闭状态。

2.根据权利要求1所述的像素单元回路，其特征在于，所述分流开关是MEMS装置、NEMS装置和以半导体为基础的有源部件之中的一种。

3.根据权利要求1或2所述的像素单元回路，其特征在于，所述分流开关是从一组部件中选择的以半导体为基础的有源部件，所述一组部件包括FET晶体管和双极晶体管。

4.根据权利要求1所述的像素单元回路，其特征在于，所述控制装置配置为响应于在一个或多个主光敏元件处接收到的入射光，而使所述分流开关处于打开状态，并且如果在一个或多个主光敏元件处没有接收到入射光，则使所述分流开关处于关闭状态。

5.根据权利要求1所述的像素单元回路，其特征在于，所述控制装置包括辅助光敏元件，并且所述控制装置配置为响应于在所述辅助光敏元件处接收到的入射光，而使所述分流开关处于打开状态，并且如果在所述辅助光敏元件处没有接收到入射光，则使所述分流开关处于关闭状态。

6.根据权利要求1所述的像素单元回路，其特征在于，所述控制装置包括：

·开关控制装置；

·电源装置，所述电源装置配置为给所述开关控制装置供电；

·定时控制装置，所述定时控制装置配置为给所述开关控制装置生成定时信号；

其中，所述开关控制装置配置为控制以所述定时信号为基础的所述分流开关的运行。

7.根据权利要求6所述的像素单元回路，其特征在于，所述电源装置包括储存电容器，所述储存电容器一方面电耦合到所述像素单元回路的参考电位，另一方面通过电源开关电耦合到节点，所述节点连接电极与一个或多个主光敏元件，其中，所述开关控制装置进一步配置为以所述定时信号为基础控制所述电源开关的运行。

8.根据权利要求6或7所述的像素单元回路，其特征在于，所述定时控制装置包括辅助光敏元件，所述辅助光敏元件串联地电耦合到负载，其中，所述负载电耦合到节点，所述节点连接所述电极以及一个或多个主光敏元件。

9.根据权利要求7所述的像素单元回路，其特征在于，所述开关控制装置配置为响应于表示在像素单元处接收到入射光的定时信号，而打开所述分流开关，然后关闭所述电源开关，并且响应于表示在所述像素单元处不再接收到入射光的定时信号，而打开所述电源开关，然后关闭所述分流开关。

10.利用CMOS兼容部件实施的根据前述权利要求中一项所述的像素单元回路。

11.神经植入物，其包括至少一个像素单元的阵列，所述至少一个像素单元中的每一个包括根据权利要求1至10中任一项所述的像素单元回路。

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