KR102044138B1

KR102044138B1 - 가변 광학 전자 안과용 렌즈를 위한 시스템 제어기

Info

Publication number: KR102044138B1
Application number: KR1020130035639A
Authority: KR
Inventors: 스코트 로버트 험프레이스; 아담 토너; 랜달 브렉스톤 퓨
Original assignee: 존슨 앤드 존슨 비젼 케어, 인코포레이티드
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2019-11-13
Also published as: TW201400913A; SG193745A1; CN103558723B; EP2648030A1; AU2016204940A1; KR20130112766A; BR102013007985A2; CN103558723A; US20180263759A1; JP2013214072A; JP2018128705A; IL225384A0; AU2013202247A1; US9980810B2; TWI588559B; RU2013114799A; IL225384A; RU2605796C2; US20130261743A1; AU2016204940B2

Abstract

가변 초점 광학계를 작동시키는 전자 시스템을 포함하는 안과용 렌즈를 위한 시스템 제어기가 본 명세서에 개시된다. 시스템 제어기는 안과용 렌즈에 포함된 전자 시스템의 일부이다. 전자 시스템은 하나 이상의 배터리 또는 다른 전원, 전력 관리 회로, 하나 이상의 센서, 클록 발생 회로, 제어 알고리즘 및 회로, 그리고 렌즈 구동기 회로를 포함한다. 제어기는 디지털 논리 게이트로서 구성되는 다수의 상태 기계들을 포함한다.

Description

가변 광학 전자 안과용 렌즈를 위한 시스템 제어기{SYSTEM CONTROLLER FOR VARIABLE-OPTIC ELECTRONIC OPHTHALMIC LENS}

관련 출원과의 상호 참조

본 특허 출원은 2012년 4월 3일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/619,727호 및 2012년 4월 3일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/619,655호의 이익을 주장한다.

본 발명은 가변 광학 급전식 또는 전자 안과용 렌즈(variable-optic powered or electronic ophthalmic lens)에 관한 것이며, 보다 상세하게는 가변 광학 전자 안과용 렌즈를 제어하는 시스템 제어기에 관한 것이다.

전자 장치가 계속하여 소형화됨에 따라, 다양한 용도를 위해 착용가능한 또는 매설가능한 마이크로전자 장치를 생성하기가 점점 더 쉬워지고 있다. 그러한 용도는 신체 화학성상(chemistry)의 태양을 모니터링하는 것, 측정에 응답하거나 외부 제어 신호에 응답해, 자동적으로 이루어지는 것을 비롯하여, 다양한 메커니즘을 통해 약물 또는 치료제의 제어된 투입량을 투여하는 것, 및 장기 또는 조직의 수행 능력(performance)을 증대시키는 것을 포함할 수 있다. 그러한 장치의 예는 포도당 주입 펌프, 심장 박동기(pacemaker), 제세동기(defibrillator), 심실 보조 장치(ventricular assist device) 및 경피신경 자극기(neurostimulator)를 포함한다. 새로운, 특히 유용한 응용 분야는 안과용의 착용가능한 렌즈 및 콘택트 렌즈이다. 예를 들어, 착용가능한 렌즈는 눈의 수행 능력을 증대 또는 향상시키기 위해 전자적으로 조절가능한 초점을 갖는 렌즈 조립체를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 조절가능한 초점을 갖거나 갖지 않는 착용가능한 콘택트 렌즈는 각막전(precorneal) (누액) 막 내의 특정 화학물질의 농도를 검출하기 위한 전자 센서를 포함할 수 있다. 렌즈 조립체에서의 매설된 전자기기(electronics)의 사용은 전자기기와의 통신, 전자기기에 전원을 공급하고/하거나 재활성화하는 방법, 전자기기의 상호접속, 내부 및 외부 감지 및/또는 모니터링, 그리고 렌즈의 전체 기능 및 전자기기의 제어를 위한 잠재적인 요건들을 도입한다.

사람의 눈은 수백만가지의 색상을 구분하고, 변하는 조명 조건에 쉽게 적응하며, 고속 인터넷 연결의 속도를 능가하는 속도로 신호 또는 정보를 두뇌로 전송하는 능력을 갖는다. 근시, 원시, 노안 및 난시 등의 시각 장애를 교정하기 위해 콘택트 렌즈 및 안구내 렌즈(intraocular lens)와 같은 렌즈가 현재 이용되고 있다. 그러나, 시력을 향상시키기 위해서뿐만 아니라 시각 장애를 교정하기 위해서 부가의 구성요소를 포함하는 적절히 설계된 렌즈가 이용될 수 있다.

근시, 원시, 난시뿐만 아니라 다른 시력 장애도 교정하기 위해 콘택트 렌즈가 이용될 수 있다. 착용자의 눈의 본래의 모습을 향상시키기 위해 콘택트 렌즈가 또한 이용될 수 있다. 콘택트 렌즈 또는 "콘택트"는 눈의 전방 표면에 간단히 위치되는 렌즈이다. 콘택트 렌즈는 의료 기구로 고려되며, 시력을 교정하고/하거나 미용상 또는 다른 치료상의 이유로 착용될 수 있다. 콘택트 렌즈는 1950년대 이래로 시력을 개선하기 위해 상업적으로 이용되어 왔다. 초기 콘택트 렌즈는 경질 물질로부터 만들어지거나 제조되었고, 비교적 고가이며 부서지기 쉬웠다. 또한, 이들 초기 콘택트 렌즈는 콘택트 렌즈를 통한 결막 및 각막으로의 충분한 산소 투과를 허용하지 않는 물질로부터 제조되었고, 이로 인해 잠재적으로 많은 불리한 임상 효과를 초래할 수 있었다. 이들 콘택트 렌즈가 여전히 이용되지만, 이들은 그들의 부족한 초기 편안함으로 인해 모든 환자에게 적합하지는 않다. 해당 분야의 이후의 개발에 의해 하이드로겔에 기반한 소프트 콘택트 렌즈가 생겼으며, 이는 매우 인기가 있고 현재 널리 이용된다. 구체적으로, 현재 이용가능한 실리콘 하이드로겔 콘택트 렌즈는 매우 높은 산소 투과성을 갖는 실리콘의 이점을, 하이드로겔의 입증된 편안함 및 임상 성능과 조합한다. 본질적으로, 이들 실리콘 하이드로겔 기반의 콘택트 렌즈는 보다 높은 산소 투과성을 갖고, 일반적으로 초기의 경질 물질로 만들어진 콘택트 렌즈보다 착용하기에 더욱 편안하다.

종래의 콘택트 렌즈는 앞서 간략히 기재된 바와 같은 다양한 시력 문제를 교정하기 위해 특정의 형상을 갖는 중합체 구조물이다. 향상된 기능을 달성하기 위해, 다양한 전자 회로 및 구성요소가 이들 중합체 구조물에 통합되어야만 한다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 시력을 교정하기 위해서는 물론 시력을 향상시키는 것뿐만 아니라 부가의 기능을 제공하기 위해, 예를 들어, 제어 회로, 마이크로프로세서, 통신 장치, 전원, 센서, 작동기, 발광 다이오드, 및 소형 안테나가 주문 제작된 광전자 구성요소를 통해 콘택트 렌즈에 통합될 수 있다. 전자 및/또는 급전식 콘택트 렌즈가 줌인 및 줌아웃 능력을 통해 또는 단순히 렌즈의 굴절 능력을 수정하는 것을 통해 향상된 시력을 제공하도록 설계될 수 있다. 전자 및/또는 급전식 콘택트 렌즈는, 색상 및 분해능을 향상시키도록, 텍스트 정보를 표시하도록, 음성을 실시간으로 캡션으로 변환하도록, 내비게이션 시스템으로부터 시각적 단서를 제공하도록, 그리고 이미지 처리 및 인터넷 접속을 제공하도록 설계될 수 있다. 렌즈는 착용자가 낮은 조명 조건에서 볼 수 있도록 설계될 수 있다. 적절히 설계된 전자기기 및/또는 렌즈 상에서의 전자기기의 배열은, 예를 들어, 가변 초점 광학 렌즈 없이 망막 상으로 이미지를 투사하는 것, 신규한 이미지 디스플레이를 제공하는 것, 및 심지어 기상 경보(wakeup alert)를 제공하는 것을 가능하게 해줄 수 있다. 대안적으로, 또는 이들 기능 또는 유사한 기능 중 임의의 것에 부가하여, 콘택트 렌즈는 착용자의 생체 지표 및 건강 지표의 비침습적 모니터링을 위한 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 렌즈 내에 매설된 센서는 채혈을 할 필요 없이 누액막의 성분을 분석함으로써 당뇨병 환자가 혈당 수준에 관한 색인표(tab)를 유지하게 할 수 있다. 게다가, 적절히 구성된 렌즈는 콜레스테롤, 나트륨 및 칼륨 수준뿐만 아니라 다른 생물학적 지표를 모니터링하기 위한 센서들을 포함할 수 있다. 이는, 무선 데이터 송신기와 결합하면, 환자가 검사실에 가서 채혈하느라 시간을 낭비할 필요없이, 의사가 환자의 혈액 화학성상에 거의 즉각적으로 접근하게 할 수 있다. 게다가, 렌즈에 매설된 센서는 주변광 조건을 보상하기 위해 또는 깜박임 패턴을 결정하는 데 사용하기 위해 눈에 입사하는 광을 검출하는 데 이용될 수 있다.

장치들의 적절한 조합은 잠재적으로 무제한의 기능을 제공할 수 있지만, 광학 등급의 중합체편에 부가의 구성요소를 포함시키는 것과 연관된 많은 어려움이 있다. 일반적으로, 여러가지 이유로 인해 그러한 구성요소들을 렌즈 상에 직접 제조하는 것뿐만 아니라, 비평면 표면 상에 평면 장치를 장착 및 상호접속시키는 것은 어렵다. 또한, 소정 축척으로 제조하는 것이 어렵다. 렌즈 상에 또는 렌즈 내에 배치될 구성요소를 소형화하여 단지 1.5 제곱 센티미터(7 ㎜ 반경을 갖는 렌즈를 가정함)의 투명 중합체 상에 통합시키면서 구성요소를 눈에서의 액체 환경으로부터 보호할 필요가 있다. 또한, 부가의 구성요소의 증가된 두께로 인해 콘택트 렌즈를 착용자에게 편안하고 안전하게 제조하는 것은 어렵다.

보다 구체적으로, 1.5 제곱 센티미터의 투명 중합체는 콘택트 렌즈의 전체 면적을 나타낸다. 소정의 예시적인 실시예에서, 전자기기가 렌즈의 주변에 있으면서 광학부(optic zone)를 벗어나 있는 것이 바람직하다. 박막 재료 또는 투명한 규소를 이용하는 대안의 예시적인 실시예가 또한 가능하다. 상기 예에서, 중앙의 8 ㎜ 직경 부분(4 ㎜ 반경)이 광학부를 위해 예비되어 있는 경우, 최대 1 제곱 센티미터가 전자기기를 위해 남아진다. 장래의 설계는 전자기기를 위한 훨씬 더 적은 면적을 제공할 수도 있는데, 예를 들어, 가변 초점 광학계를 포함하지 않는 약 0.17 제곱 센티미터(17 제곱 밀리미터)의 환상 링을 갖는 설계가 있을 수 있다. 이것이 의미하는 것은 주어진 다이(die)에 대해 단지 1.26 제곱 밀리미터의 최대 IC 다이 면적이 작업에 이용가능할 수 있다는 것이다. 다시 말하면, 본 발명에서 필요한 것은 전례가 없는 크기의 설계 및 구성이다.

콘택트 렌즈와 같은 안과용 장치의 면적 및 체적 제약과, 그것이 내부에 이용되는 환경을 고려하면, 장치의 물리적 실현은 대부분이 광학 플라스틱을 포함하는 비-평면 표면 상에 다수의 전자 구성요소를 장착 및 상호접속시키는 것을 포함한 많은 문제를 극복하여야 한다. 따라서, 기계적으로 그리고 전기적으로 강건한 전자 콘택트 렌즈를 제공할 필요성이 존재한다.

이들이 급전식 렌즈이기 때문에, 안과용 렌즈에 대한 크기에서 배터리 기술이 주어진 경우, 전자기기를 구동하는 에너지 또는 보다 상세하게는 전류 및 전력 소모가 관심사이다. 보통의 전류 소모에 더하여, 이러한 특성의 급전식 장치 또는 시스템은 일반적으로 대기 전류 비축, 잠재적으로 넓은 범위의 동작 파라미터에 걸쳐 동작을 보장하는 정확한 전압 제어 및 스위칭 기능, 및 잠재적으로 수년 동안 유휴 상태로 있은 후의 버스트 소모량(burst consumption), 예를 들어 한번의 충전으로 최대 18 시간을 필요로 한다. 따라서, 요구되는 전력을 제공하면서 저비용, 장기간 신뢰가능한 서비스, 안전 및 크기에 최적화되어 있는 시스템에 대한 필요성이 존재한다.

게다가, 급전식 렌즈와 연관된 기능의 복잡성 및 급전식 렌즈를 구성하는 모든 구성요소들 사이의 높은 수준의 상호작용으로 인해, 급전식 안과용 렌즈를 구성하는 전자기기 및 광학계의 전체적인 동작을 조정하고 제어할 필요가 있다. 전자 안과용 장치의 제어를 위해 상용 마이크로컨트롤러가 고려되었지만, 현재 이용가능한 마이크로컨트롤러는 전자 안과용 장치에서 사용하기에는 다수의 단점이 있다. 이들 마이크로컨트롤러는 현재 약 5 제곱 밀리미터인데, 이때 에지(edge) 치수가 일부 안과용 장치 설계에서 허용되는 것보다 더 길고 다이 두께가 수백 마이크로미터 정도인데, 역시나 안과용 장치에 대해서는 너무 크다. 상용 마이크로컨트롤러는 안과용 전자 시스템의 요건에 구체적으로 맞춤되지 않으며, 따라서 공간 및 전류를 낭비하는 필요하지 않은 기능 블록을 포함할 수 있거나, 필요한 기능 블록을 포함하지 않을 수 있다. 다른 제한들은 구매가능한 마이크로컨트롤러 및 다른 시판 중인 전자 구성요소가 전자 안과용 장치에 이용되지 못하게 한다. 따라서, 안전하고 저비용이며 신뢰할 수 있고, 낮은 전력 소모율을 가지며, 안과용 렌즈에 포함시키기 위해 크기조정가능한 다른 구성요소들 모두의 동작을 제어하는 시스템에 대한 필요성이 있다.

급전식 렌즈 시스템은 높은 직렬 저항 및 낮은 용량을 갖는 전력 저장 장치(배터리)를 포함할 수 있다. 구매가능한 마이크로컨트롤러와 같은 종래 기술의 회로는 이러한 유형의 전원에 대해 너무 높은 피크 및 평균 전류를 필요로 하여서, 피크 전류가 배터리 출력 전압에서의 용인불가능한 강하로 이어지게 할 것이고 평균 전류가 급전식 렌즈 시스템의 요구된 배터리 수명에 대해 배터리 전하를 너무 빨리 고갈시키게 할 것이다.

따라서, 시스템의 전체 전력 소모를 최소화하도록 설계되고 구성된 급전식 렌즈에 매설되어 있는 전자 및 전자 기계 시스템 또는 전자 화학 시스템의 융통성 있는 동작을 제공할 수 있는 시스템 제어기에 대한 필요성이 있다. 시스템 제어기는 전력 소모를 최소화하면서 기능 또는 성능의 최적의 조합을 제공하기 위해 급전식 렌즈의 외부 및 그 내부 둘 모두에서의 조건의 변화에 응답하여야 한다. 게다가, 시스템 제어기는 바람직하게는 다른 필요한 구성요소와 함께 콘택트 렌즈 내로 통합시키기에 충분히 작은 체적 및 면적을 필요로 하거나 소비하여야 한다.

본 발명의 가변 광학 안과용 렌즈를 제어하는 전자 회로 및 제어 알고리즘을 포함하는 시스템 제어기는 위에서 간략히 기술된 바와 같은 종래 기술과 연관된 단점들을 극복한다.

본 발명은 가변 초점 광학계를 작동시키는 것을 비롯한 임의의 개수의 기능을 수행하는 전자 시스템을 포함하는 급전식 콘택트 렌즈에 관한 것이다. 전자 시스템은 하나 이상의 배터리 또는 다른 전원, 전력 관리 회로, 하나 이상의 센서, 클록 발생 회로, 적합한 제어 알고리즘을 구현하는 제어 회로, 및 렌즈 구동기 회로를 포함한다. 이 시스템은 입사광 또는 다른 전자기파 또는 전자기장을 통해 깜박임 검출을 수행하는 회로를 추가로 포함할 수 있다.

일 태양에 따르면, 본 발명은 안과용 기구에 관한 것이다. 안과용 기구는 눈 내부 또는 눈 상부 중 적어도 하나에서 사용하도록 구성된 안과용 장치에 포함되는 전자 시스템; 전자 시스템 내에 포함되어 전자 시스템의 동작을 제어하는 시스템 제어기로서, 적어도 하나의 신호를 수신하고 적어도 하나의 신호를 출력하는 마스터 상태 기계(master state machine)를 구현하도록 구성되는, 상기 시스템 제어기; 전자 시스템에 포함되는 전자 회로로서, 시스템 제어기와 작동가능하게 연관되고 시스템 제어기에 전력을 제공하며, 하나 이상의 전원 및 하나 이상의 클록 발생 회로 또는 입력을 포함하는, 상기 전자 회로; 및 시스템 제어기로부터 적어도 하나의 출력을 수신하도록 구성되는 적어도 하나의 작동기를 포함한다.

시스템 제어기는 시스템의 구성요소들을 제어하는, 디지털 논리로 구현된 일 세트의 상태 기계들을 포함한다. 시스템 제어기는 전력 관리 회로 및 클록 발생 회로로부터 전력, 바이어스 및 하나 이상의 클록 신호를 수신할 수 있다. 시스템 제어기는 디지털 논리에 설계되어 있는 사전 결정된 또는 사전 프로그래밍된 동작을 실행한다. 시스템 제어기는 하나 이상의 센서에 의해 제공되는 하나 이상의 신호 샘플(센서 입력)을 획득하도록 하나 이상의 센서를 트리거하는 것, 센서 입력을 저장하는 것, 센서 입력을 프로그래밍된 패턴과 비교하는 것, 시스템의 현재 상태 및 센서 입력 또는 저장된 센서 입력에 기초하여 취할 다음 동작 및 시스템의 다음 상태를 결정하는 것, 및 시스템을 구성하는 다른 구성요소들을 활성화 및 비활성화시키는 것을 비롯한 다수의 기능을 수행한다. 시스템 제어기는 또한 다양한 인터페이스를 통해 그의 동작을 변경하도록 프로그래밍될 수 있다.

본 발명의 시스템 제어기는, 또한 낮은 전력 소비율을 갖고, 편안함 또는 착용성에 유의한 영향을 주지 않으면서, 콘택트 렌즈와 같은 안과용 장치 내에 포함시키기 위해 면적, 체적 등이 크기조정가능한, 가변 광학 전자 콘택트 렌즈를 제어하는 안전하고 저렴하며 신뢰성있는 수단을 제공한다.

본 발명의 상기 및 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예의 하기의 보다 구체적인 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
<도 1>
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 가변 초점 렌즈 시스템을 나타내는 블록도.
<도 2>
도 2는 도 1의 가변 초점 렌즈 시스템의 통합된 부분을 나타내는 블록도.
<도 3>
도 3은 본 발명의 시스템 제어기의 마스터 상태 기계(master state machine)에 대한 예시적인 상태 천이도(state transition diagram).
<도 4>
도 4는 본 발명에 따른 클록 및 리셋 발생기와 마스터 상태 기계의 동작의 예시적인 제1 시퀀스의 타이밍도.
<도 5>
도 5는 본 발명에 따른 클록 및 리셋 발생기와 마스터 상태 기계의 동작의 예시적인 제2 시퀀스의 타이밍도.
<도 5a>
도 5a는 본 발명에 따른 도 5의 클록 및 리셋 발생기와 마스터 상태 기계의 동작의 예시적인 제2 시퀀스의 확장된 시간 프레임 타이밍도.
<도 6>
도 6은 본 발명에 따른 예시적인 제어 시스템의 클록 및 리셋 발생기의 일부분의 블록도.
<도 7>
도 7은 본 발명에 따른 급전식 콘택트 렌즈를 위한, 제어 시스템을 포함한 예시적인 전자 삽입물의 개략도.

종래의 콘택트 렌즈는 앞서 간략히 기재된 바와 같은 다양한 시력 문제를 교정하기 위해 특정의 형상을 갖는 중합체 구조물이다. 향상된 기능을 달성하기 위해, 다양한 회로 및 구성요소가 이들 중합체 구조물에 통합되어야만 한다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 시력을 교정하기 위해서는 물론 시력을 향상시키는 것뿐만 아니라 부가의 기능을 제공하기 위해, 예를 들어, 제어 회로, 마이크로프로세서, 통신 장치, 전원, 센서, 작동기, 발광 다이오드, 및 소형 안테나가 주문 제작된 광전자 구성요소를 통해 콘택트 렌즈에 통합될 수 있다. 전자 및/또는 급전식 콘택트 렌즈가 줌인 및 줌아웃 능력을 통해 또는 단순히 렌즈의 굴절 능력을 수정하는 것을 통해 향상된 시력을 제공하도록 설계될 수 있다. 전자 및/또는 급전식 콘택트 렌즈는, 색상 및 분해능을 향상시키도록, 텍스트 정보를 표시하도록, 음성을 실시간으로 캡션으로 변환하도록, 내비게이션 시스템으로부터 시각적 단서를 제공하도록, 그리고 이미지 처리 및 인터넷 접속을 제공하도록 설계될 수 있다. 렌즈는 착용자가 낮은 조명 조건에서 볼 수 있도록 설계될 수 있다. 적절히 설계된 전자기기 및/또는 렌즈 상에서의 전자기기의 배열은, 예를 들어, 가변 초점 광학 렌즈 없이 망막 상으로 이미지를 투사하는 것, 신규한 이미지 디스플레이를 제공하는 것, 및 심지어 기상 경보를 제공하는 것을 가능하게 해줄 수 있다. 대안적으로, 또는 이들 기능 또는 유사한 기능 중 임의의 것에 부가하여, 콘택트 렌즈는 착용자의 생체 지표 및 건강 지표의 비침습적 모니터링을 위한 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 렌즈 내에 매설된 센서는 채혈을 할 필요 없이 누액막의 성분을 분석함으로써 당뇨병 환자가 혈당 수준에 관한 색인표를 유지하게 할 수 있다. 게다가, 적절히 구성된 렌즈는 콜레스테롤, 나트륨 및 칼륨 수준뿐만 아니라 다른 생물학적 지표를 모니터링하기 위한 센서들을 포함할 수 있다. 이는 무선 데이터 송신기와 결합하면 환자가 검사실에 가서 채혈하느라 시간을 낭비할 필요없이, 의사가 환자의 혈액 화학성상에 거의 즉각적으로 접근하게 할 수 있다. 게다가, 렌즈에 매설된 센서는 주변광 조건을 보상하기 위해 또는 깜박임 패턴을 결정하는 데 사용하기 위해 눈에 입사하는 광을 검출하는 데 이용될 수 있다.

본 발명의 급전식 또는 전자 콘택트 렌즈는 전술된 시각 장애들 중 하나 이상을 가지고 있는 환자의 시력을 교정하고/하거나 향상시키는 데 또는 유용한 안과용 기능을 달리 수행하는 데 필요한 요소를 포함한다. 게다가, 이들은 전술된 바와 같이 단순히 보통의 시력을 향상시키기 위해 또는 매우 다양한 기능을 제공하기 위해 이용될 수 있다. 전자 콘택트 렌즈는 가변 초점 광학계 렌즈, 콘택트 렌즈에 매설되어 있는 또는 임의의 적합한 기능을 위해 렌즈 없이 단지 전자기기를 간단히 매설하고 있는 조립된 전방 광학계를 포함할 수 있다. 본 발명의 전자 렌즈는 전술된 바와 같이 임의의 개수의 콘택트 렌즈들 내에 포함될 수 있다. 게다가, 안구내 렌즈가 또한 본 명세서에 기술된 다양한 구성요소 및 기능을 포함할 수 있다. 그러나, 설명의 편의상, 본 개시 내용은 일회용으로 매일 교체하도록 의도된, 시각 장애를 교정하는 전자 콘택트 렌즈를 중점적으로 다룰 것이다.

명세서 전체에 걸쳐, 안과용 장치라는 용어가 이용되고 있다. 일반적인 용어에서, 안과용 장치는 콘택트 렌즈, 안구내 렌즈, 안경 렌즈 및 누점 마개(punctal plug)를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, 안과용 장치는 눈병 치료, 시력 교정 및/또는 향상을 위한 것이며, 바람직하게는 누점 마개, 안경 렌즈, 콘택트 렌즈 및 안구내 렌즈 중 적어도 하나를 포함한다. 안구내 렌즈 또는 IOL은 눈에 이식되어 수정체를 대체하는 렌즈이다. 이는 백내장이 있는 사람에게 또는 단순히 다양한 굴절 이상(refractive error)을 치료하는 데 이용될 수 있다. IOL은 전형적으로, 렌즈를 눈에 있는 캡슐형 백 내에서 제위치에 보유하기 위해 햅틱(haptic)이라 불리는 플라스틱 측부 스트럿(side strut)을 갖는 작은 플라스틱 렌즈를 포함한다. 본 명세서에 기술된 전자기기 및/또는 구성요소들 중 임의의 것이 콘택트 렌즈와 유사한 방식으로 IOL 내에 포함될 수 있다. 누점 마개 또는 가리개(occluder)는 하나 이상의 질병 상태를 치료하기 위해 눈의 누점에 삽입하기 위한 안과용 장치이다. 본 발명이 이들 장치들 중 임의의 것에서 이용될 수 있지만, 바람직한 예시적인 실시예에서, 본 발명은 콘택트 렌즈 또는 안구내 렌즈에서 이용된다.

본 발명은 수행될 수 있는 임의의 개수의 많은 기능들을 구현하도록 구성된 가변 초점 광학계 또는 임의의 다른 장치 또는 장치들을 작동시키는 전자 시스템을 포함하는 급전식 안과용 렌즈 또는 급전식 콘택트 렌즈에 관한 것이다. 전자 시스템은 하나 이상의 배터리 또는 다른 전원, 전력 관리 회로, 하나 이상의 센서, 클록 발생 회로, 적합한 제어 알고리즘을 구현하는 제어 회로, 및 렌즈 구동기 회로를 포함한다. 이들 구성요소의 복잡성은 렌즈의 요구되는 또는 원하는 기능에 따라 변할 수 있다.

본 발명의 시스템 제어기가 급전식 또는 전자 안과용 렌즈, 예를 들어 멀리 있는 물체에 대해 줌인하고 가까이 있는 물체에 대해 줌아웃하기 위한 가변 전력 광학계 요소 또는 가변 초점 광학계를 포함하는 콘택트 렌즈를 제어하기 위하여 임의의 개수의 입력을 수신할 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다.

시스템 제어기 또는 제어 시스템은 다른 장치 및/또는 시스템의 동작을 관리, 명령, 지시 및/또는 조절하도록 구성된 하나 이상의 장치를 포함한다. 다수의 상이한 유형의 제어 시스템들이 있지만, 이들은 일반적으로 2가지 부류 또는 유형, 즉 논리 또는 순차 제어 시스템 및 피드백 또는 선형 제어 시스템에 속한다. 논리 또는 순차 제어 시스템에서는, 하나 이상의 작업을 수행하기 위해 사전 결정된 순서로 일련의 작동기들을 트리거하는 명령 신호가 출력된다. 피드백 제어 시스템에서는, 하나 이상의 센서, 제어 알고리즘 및 작동기를 포함하는 제어 루프가 설정점 또는 기준값에서의 변수를 조절하도록 구성된다. 임의의 피드백 제어 시스템에서는, 시스템이 무엇을 해야 하는지를 알아야 하고, 시스템이 얼마나 잘 기능하고 있는지를 알아야 하며, 성능 정보를 사용하여 시스템을 정정 및 제어할 필요가 있다.

기본적인 피드백 제어 시스템의 구성요소는 다음과 같이 기술될 수 있다. 제어 시스템은 제어될 시스템 또는 설비를 포함하고, 입력을 수신하고 출력을 제공하도록 구성된다. 설비의 출력은 설비의 하나 이상의 파라미터를 측정하고 피드백 신호를 제공하는 센서로 입력된다. 피드백 신호는 이어서, 비교기 또는 다른 적합한 수단을 통해, 입력 신호로부터 감산되어, 오차 신호를 발생시킨다. 오차 신호는 이어서 제어기에 입력되고, 제어기는 설비에 신호를 출력하고, 이에 의해 설비가 원하는 동작을 구현하게 한다. 본질적으로, 센서로부터의 피드백은 전체 시스템의 모든 복잡성들을 고려하려고 시도하며, 주어진 입력에 대해 원하는 결과인 출력을 생성한다. 모든 제어 시스템은 소정의 제어 법칙의 범위 내에서 설계되고, 전형적으로 속도 및 정확도를 비롯한 다양한 측면에서의 절충을 나타낸다. 본 설명이 과도하게 단순화되어 있고 하드웨어와 관련하여 기술되지만, 본 설명은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있는 피드백 제어 시스템에 대한 기초를 제공한다.

피드백 제어 시스템은 비례 제어기, 적분 제어기, 미분 제어기 또는 이들의 조합으로 추가로 분류될 수 있다. 비례 제어기에서는, 제어 동작이 오차에 비례한다. 적분 제어기에서는, 시설로의 작동 신호 또는 입력이 오차의 적분에 비례한다. 미분 제어기에서는, 공정의 출력이 입력이 변하는 속도에 비례한다. 각각의 유형의 제어기는, 제어 업계에서 공지된 바와 같이, 그 자신의 이점을 제공한다. 예를 들어, 적분 제어기를 이용할 때, 정상 상태 오차가 달성되어야 한다.

위에서 기재된 바와 같이, 순차 제어기는 일련의 동작들이 특정의 순서로 일어날 필요가 있는 제어기이다. 이들 동작은 매우 복잡할 수 있는데, 그 이유는 전체 공정의 모든 조건들이 알려져야 하기 때문이다. 순차 제어기는 일반적으로 전기적 및/또는 기계적 동작을 제어하는 명령들을 순서화(sequence)하는 논리 시스템을 포함한다. 프로그래밍가능 논리 제어기 및 마이크로컨트롤러는 순차적 제어를 하도록 프로그래밍될 수 있다.

본 발명의 시스템 제어기는 주로 순차 제어 시스템이지만, 당업자는 시스템 제어기 또는 시스템 제어기와 연관된 서브시스템이 센서 입력에 의해 제공된 피드백에 응답하는 특징부를 포함할 수 있다는 것을 알 것이다. 그러한 동작의 예는, 보다 낮은 배터리 용량에 응답하여 서브시스템의 듀티(duty) 사이클 또는 전력 수준을 변경하는 것, 수신된 신호와 연관된 주파수에 동기화하기 위해 내부 클록 주파수를 조정하는 것, 및/또는 누액막(tear film) 화학성상의 측정에 응답하여 눈의 누액막으로 전달되는 치료제 또는 약물의 양을 조절하는 것을 포함할 수 있다.

위에서 기재된 바와 같이, 본 발명은 다수의 구성요소를 포함하는 콘택트 렌즈에 관한 것이며, 이때 시스템 제어기는 이들 구성요소 중 하나이다. 장치들의 적절한 조합은 잠재적으로 무제한의 기능을 제공할 수 있지만, 콘택트 렌즈를 이루고 있는 광학 등급의 중합체편에 부가의 구성요소를 포함시키는 것과 연관된 많은 어려움이 있다. 일반적으로, 여러가지 이유로 인해 그러한 구성요소들을 렌즈 상에 직접 제조하는 것뿐만 아니라, 비평면 표면 상에 평면 장치를 장착 및 상호접속시키는 것은 어렵다. 또한, 소정의 축척 및 형태로 제조하는 것이 어렵다. 렌즈 상에 또는 렌즈 내에 배치될 구성요소를 소형화하여 단지 1.5 제곱 센티미터, 또는 보다 상세하게는 17 제곱 밀리미터의 투명 중합체 상에 통합시키면서, 구성요소를 눈에서의 액체 환경으로부터 보호할 필요가 있다. 또한, 부가의 구성요소의 증가된 두께로 인해 콘택트 렌즈를 착용자에게 편안하고 안전하게 제조하는 것은 어렵다.

본 명세서에 기재된 크기 요건에 더하여, 콘택트 렌즈 내에 포함된 전자 장치는 본질적으로 수성 환경에서 사용하기에 강건하고 안전해야 한다. 눈물은 pH가 약 7.4이고, 약 98.2%의 물과, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 및 염소와 같은 전해질을 포함한 1.8%의 고형물이다. 이는 전자기기를 도입하기에 다소 거친 환경이다. 또한, 콘택트 렌즈는 일반적으로 적어도 4시간 동안 그리고 바람직하게는 8시간 초과 동안 착용하도록 설계된다. 전자 구성요소는 에너지를 필요로 한다. 이 에너지는 내장된 배터리를 비롯한 임의의 개수의 공급원으로부터 공급될 수 있다. 배터리 및 다른 잠재적인 에너지원은 이들 크기에서 제한된 전위를 가지기 때문에, 시스템 제어기를 비롯한 모든 전자 구성요소는 바람직하게는 가능한 한 적은 전력을 소비하도록 설계되어, 콘택트 렌즈가 주어진 기간(유통 기한) 동안 유휴 상태로 있은 후에도 주어진 기간 동안 착용될 수 있게 한다. 마지막으로, 전자 콘택트 렌즈 내의 모든 구성요소는 생체적합성이고 안전해야 한다. 따라서, 콘택트 렌즈 내에 포함된 모든 전자기기는 상기 설계 파라미터, 즉 크기, 수용액에서의 생존성, 전력 소비 및 안전성 모두를 만족시켜야 한다. 본 발명의 시스템 제어기는 이들 요건 모두를 만족시킨다.

이제 도 1을 참조하면, 전원(100), 전력 관리 회로(102), 시스템 제어기(104), H-브리지 제어기(106), 전압 증배기(108), H-브리지(110), 가변 초점 광학계(112), 센서(114) 및 센서 신호 경로(116)를 포함하는 가변 초점 전자 안과용 렌즈 시스템의 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 위에서 기재된 구성요소들 각각에 대한 상세한 설명이 후속하여 제공된다. 본 명세서에 기술된 구성요소들 각각이 임의의 개수의 적합한 방식들로 구현될 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 또한, 기능 블록들이 예시 목적을 위해 도시되고 기술되어 있으며, 기능 블록들이 본 명세서에 기술된 전자 또는 급전식 안과용 장치에서 사용하도록 구체적으로 제어, 설계 및 구성된 시스템의 기본 원리에 여전히 의존하면서 부가, 제거 또는 치환될 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다.

가변 초점 안과용 광학계 또는 간단히 가변 초점 광학계(112)는 가변 초점 광학계(112)의 2개의 전기 단자들을 가로질러 인가되는 활성화 전압에 응답하여, 초점 특성, 예컨대 초점 거리를 변화시키는 액체 렌즈일 수 있다. 그러나, 가변 초점 렌즈 광학계가 임의의 적합한 제어가능 광학계 장치, 예를 들어 발광 다이오드 또는 미세전자기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS) 작동기를 포함할 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 2개의 단자들은 가변 초점 광학계(112)의 전방 단자 및 후방 단자에 대응할 수 있다. 활성화 전압은 전원으로부터 이용가능한 전압보다 상당히 더 높을 수 있고, 따라서 본 명세서에 기술된 다른 회로에 대한 필요성이 있다. 전원(100)은 배터리, 에너지 회수 장치(energy harvester), 커패시터, 또는 사용가능한 동작 전압에서 전류를 제공하는 임의의 유사한 장치를 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 전원(100)은 외부 전원에 대한 유도성 전력 커플링일 수 있다. 전력 관리 회로(102)는 하나 이상의 전압 조절기, 변환기, 기준 전압 또는 전류, 및 가변 초점 전자 안과용 렌즈 시스템의 다른 구성요소들에 공급되는 전력을 선택적으로 인에이블(enable)시키는 스위치를 포함할 수 있다. 시스템 제어기(104)는 내부 알고리즘에 기초하여 또는 사용자에 의한 외부 제어 하에서 제어 신호를 전압 증배기(108)에 그리고 H-브리지 제어기(106)에 제공한다. 전압 증배기(108)는 전원(100)으로부터 낮은 동작 전압에서 전류를 받아들이고, 가변 초점 광학계(112)의 활성화 전압에 있거나 이를 초과하는, 즉 가변 초점 광학계(112)의 상태를 변경시키기에 충분한 높은 출력 전압을 발생시킨다. 전압 증배기(108)는 발진기를 추가로 포함하거나, 시스템 제어기(104)로부터 클록 신호를 수신할 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 전압 증배기 출력은 H-브리지 스위치 회로(110)를 통해 가변 초점 광학계(112)에 결합되고, H-브리지 스위치는 전자 시스템의 잘 알려진 기능 블록이다. H-브리지 스위치 회로(110)는 전압 증배기(108)와 각각의 가변 초점 광학계(112) 단자 사이에서 그리고 각각의 가변 초점 광학계(112) 단자와 시스템의 전기 접지 사이에서 스위치를 포함한다. H-브리지 스위치 회로(110)의 상태는 시스템 제어기(104) 제어 신호들 중 하나 이상에 의해 결정된다. H-브리지 스위치 회로(110)는 하나 이상의 상태, 예를 들어 가변 초점 광학계(112) 단자가 개방되어 있는 것, 접지에 단락되어 있는 것, 또는 일 단자가 전압 증배기(108)에 결합되고 다른 단자가 접지에 결합되어 급전되는 것, 또는 반대 극성들로 급전되는 것으로 구성될 수 있다. 시스템 제어기(104)는 가변 초점 광학계(112)의 성능을 최적화하기 위해, 예를 들어 하나의 상태에서 너무 오랫동안 급전될 때 일어날 수 있는 과도한 전하 포집을 피하기 위해, H-브리지 스위치 회로(110) 출력의 극성을 주기적으로 반전시킬 수 있다.

센서(114)는 광다이오드와 같은 광 센서, 압력 센서, 용량성 터치 센서, 또는 무선 주파수 또는 저주파수 전자기 신호를 감지하는 전자기 코일 또는 안테나일 수 있다. 센서(114)는 또한 눈꺼풀 위치 센서, 동공 모임(pupil convergence) 센서, 후향 동공 확장(rear-facing pupil dilation) 센서, 방출기-검출기 쌍(emitter-detector pair) 센서, 깜박임 검출 센서 또는 센서들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 센서 신호 경로(116)는 센서(114)의 출력 신호를 수신하고 신호를 처리하여 원하는 잡음 필터링, 증폭 또는 다른 수정을 달성하고 조절된 센서 신호를 시스템 제어기(104)에 제공하도록 구성되어 있는 회로를 포함한다. 센서 신호 경로(116)는, 예를 들어 회로를 인에이블 또는 디스에이블하거나 이득 또는 하나 이상의 필터 코너 주파수와 같은 회로의 동작 파라미터들을 수정하기 위해, 시스템 제어기(104)에 의해 제어될 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 가변 초점 전자 안과용 렌즈 시스템은 유사한 또는 상이한 유형의 하나 이상의 센서 및 센서 신호 경로를 포함할 수 있다.

시스템 제어기(104)는 시스템의 구성요소들을 제어하는 디지털 제어 시스템을 포함하고, 소프트웨어를 실행시키는 마이크로컨트롤러로서 또는 하나 이상의 상태 기계와 같은 디지털 논리로 구현될 수 있다. 시스템 제어기(104)가 어떻게 구현되는지에 상관없이, 콘택트 렌즈의 일부분에 포함되도록 설계 및 구성된다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 따라서, 크기 및 전력 소비가 중요한 인자이다. 시스템 제어기(104)는 제어 시스템을 위한 주기적 타이밍 신호를 발생시키는 발진기를 추가로 포함할 수 있다. 시스템 제어기(104)는 전력 관리 회로(102)로부터 바이어스 및 전력을 수신하고, 클록 발생 회로(후술되는 도 2에 도시된 저주파 발진기(202))로부터 클록 펄스를 수신한다. 저주파 발진기(202)는 독립형이거나 전력 관리 회로(102)의 일부일 수 있다. 시스템 제어기(104)는 디지털 논리에 설계되어 있는 사전 결정된 또는 사전 프로그래밍된 동작을 실행한다. 시스템 제어기(104)는 하나 이상의 샘플을 획득하기 위해 하나 이상의 센서를 트리거하는 것, 센서 입력을 저장하는 것, 센서 입력을 프로그래밍된 패턴과 비교하는 것, 시스템의 현재 상태에 기초하여 취할 다음 동작을 결정하는 것, 및 시스템을 구성하는 다른 구성요소들을 활성화 및 비활성화시키는 것을 비롯한 다수의 기능들을 수행한다. 시스템 제어기(104)는 또한 다양한 인터페이스를 통해 그의 동작을 변경하도록 프로그래밍될 수 있다.

도 2는, 반도체 다이에 함께 통합될 수 있는 시스템 제어기 및 관련 회로에 대해 특정의 상세 사항이 제공되는 상태로, 가변 초점 전자 안과용 렌즈 시스템의 통합된 부분의 예시적인 실시예를 도시한다. 가변 초점 렌즈 서브시스템의 통합된 부분은 전압 조절기(vreg)(200), 저주파 발진기(202), 조절기-기반 전원-켜짐 리셋 회로(vdd_por)(204), 및 시스템 제어기(206)를 포함한다.

전압 조절기(vreg)(200)는 배터리 또는 외부 전원에 결합되고, 조절된 전압을 시스템 내의 다른 회로에, 특히 시스템 제어기(206)에 제공한다. 조절기-기반 전원-켜짐 리셋 회로(vdd_por)(204)는 조절기 출력에 결합되고, 조절기 출력 전압이 사용가능 전압 수준에서 안정적일 때를 나타내는 리셋 신호(por_rst_n)를 제공하며, 시스템 전원 켜기 시에 시스템 제어기(206) 내의 레지스터가 원하는 기본 디폴트 상태로 리셋되도록 보장한다. 저주파 발진기(202)는 저주파 클록 신호(lf_clk)를 시스템 제어기(206)에 제공한다.

이 예시적인 실시예에서, 시스템 제어기(206)는 마스터 상태 기계(master_fsm)(208), 클록 및 리셋 발생기(clk_rst_gen)(210), 디지털 깜박임 검출 서브시스템(dig_blink)(214), 디지털 수신기 서브시스템(dig_rx)(216), 및 전하 펌프 전압 증배기 제어기(dig_cp)(218)를 포함한다. 클록 및 리셋 발생기(clk_rst_gen)(210)는 저주파 클록 신호(lf_clk) 및 조절기-기반 전원-켜짐 리셋 신호(por_rst_n)를 수신하고, 클록 및 리셋을 시스템 제어기(206) 내의 블록들에 제공한다. 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)는 클록 및 리셋 발생기(clk_rst_gen)(210)로부터 상태 기계 클록 신호(smclk) 및 상태 기계 리셋 신호(smclk_rst_n)를 수신한다. 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)는 시스템 제어기(206) 내의 다른 블록들이 활성화 또는 인에이블되는 상태들의 사전 결정된 시퀀스를 통해 진행하는 상태 기계를 포함한다. 마스터 상태 기계의 활성화 주기는 센서(114) 및 센서 신호 경로(116)의 사전 결정된 샘플 레이트에 대응한다. 디지털 깜박임 검출 서브시스템(dig_blink)(214)은 아날로그-디지털 변환기에 인에이블 신호(adc_en)를 제공하고 아날로그-디지털 변환기로부터의 신호(adc_data)를 통해 데이터를 수신하는 상태 기계 및 부가의 논리를 포함할 수 있다. 디지털 수신기 서브시스템(dig_rx)(216)은 수신기 서브시스템에 인에이블 신호(dig_rx)를 제공하고 수신기 서브시스템으로부터의 신호(rx_data)를 통해 데이터를 수신하는 상태 기계 및 부가의 논리를 포함할 수 있다. 수신기 서브시스템은 가변 초점 렌즈 시스템에서 별개의 센서 및 센서 신호 경로를 포함할 수 있다. 마스터 상태 기계는 센서(114) 및 센서 신호 경로(116)로부터 고유의 사전 결정된 값 또는 시퀀스의 값들을 검출시에, 별개의 센서 및 센서 신호 경로를 인에이블 시키도록 구성된다. 전하 펌프 전압 증배기 제어기(dig_cp)(218)는 시스템 제어기(206)에서 래치된(latched) 또는 저장된 값을 디코딩하고 전하 펌프 인에이블 신호(cp_an_en)를 전하 펌프 전압 증배기에 제공하는 논리를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 신호 및 블록의 거동은 후속적으로 도 3 및 도 4의 설명에서 추가로 설명된다.

도 3은 도 2에 도시된 예시적인 실시예의 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)에 대한 상태 천이도를 도시한다. 초기 상태는, 클록 및 리셋 발생기(clk_rst_gen)(210)로부터의 리셋 신호(smclk_rst_n)가 어써트될(asserted) 때 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)가 놓여 있는 IDLE 상태(300)(이 예시적인 실시예에서 활성 로우)이다. smclk 상의 제1 상태 기계 클록 에지에서, 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)는 BLINK 상태(302)로 천이하고, 그 동안에 디지털 깜박임 검출 서브시스템(dig_blink)(214)은 신호(bl_go)의 어써션에 의해 인에이블된다. 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)는 깜박임 검출 동작이 완료되었음을 나타내는 깜박임 완료 신호(bl_done)가 디지털 깜박임 검출 서브시스템(dig_blink)(214)으로부터 수신될 때까지 BLINK 상태(302)에 그대로 있다. 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)는 추가의 디코딩 또는 처리를 위해 디지털 깜박임 검출 서브시스템(dig_blink)(214)의 출력값을 레지스터에 래치하거나 저장할 수 있다. 출력값은 사전 결정된 또는 사전 프로그래밍가능한 패턴과 정합하는 일련의 광 레벨들 또는 깜박임 패턴들의 검출에 기초할 수 있다. 전하 펌프 전압 증배기 제어기(dig_cp)의 상태를 갱신하기 위해 하나의 패턴이 사용될 수 있다. 통신 수신 모드에 들어가기 위해 다른 패턴이 사용될 수 있다. 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)는 이어서, 'Rx 시퀀스가 검출된 경우' 및 'Rx 시퀀스가 검출되지 않은 경우'라는 라벨로 도면에 나타낸 바와 같이, BLINK 상태(302)에 래치된 값에 기초하여 조건부로 RX 상태(304) 또는 CP 상태(306)로 천이한다. RX 상태(304)에서, 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)는 신호(rx_go)를 어써트함으로써 디지털 수신기 서브시스템(dig_rx)(216)을 인에이블한다. 디지털 수신기 서브시스템(dig_rx)(216)은 rx_en 및 rx_data 신호를 사용하여 통신 수신기를 인에이블하고 그로부터 데이터를 수신할 수 있다. RX 상태(304)에서, 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)는 이와 유사하게 수신기 동작이 완료되었다는 것을 나타내는 rx_done 신호가 수신될 때까지 이 상태에서 대기하거나 홀드하고, 이어서 CP 상태(306)로 천이한다. CP 상태(306)에서, 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)는 디지털 깜박임 검출 서브시스템(dig_blink)(214) 또는 통신 수신기 동작(dig_rx)(216)으로부터 수신되는 값에 기초하여 전하 펌프 제어 신호의 상태를 갱신하기 위해 신호(cp_go)를 어써트함으로써 전하 펌프 전압 증배기 제어기(dig_cp)(218)를 인에이블한다. 이 예시적인 실시예에서, 전하 펌프 전압 증배기 제어기(dig_cp)(218)는 어떠한 대응하는 완료 신호도 필요하지 않도록 하나의 클록 사이클만이 갱신하게 한다. 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)는 이어서 DONE 상태(308)로 천이하고 smclk_rst_n 신호에 의해 리셋될 때까지 그곳에 그대로 있다.

도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 클록 및 리셋 발생기(clk_rst_gen)(210) 및 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)의 많은 가능한 동작 시퀀스들 중 하나를 도시하는 타이밍도를 제공한다. 배터리 또는 전원이 시스템에 결합될 때 안정적인 값까지 상승하는 배터리 전압(Vbat) 및 이어서 안정적인 값까지 상승하는 전압 조절기(vreg)(200) 출력 신호(Vdd 또는 Vreg)가 상부에 도시되어 있다. 다음에, 조절기 기반 전원-켜짐 리셋(vdd_por)(204) 출력 신호(por_rst_n)가 Vreg 전압에 응답하여 어써트(활성 로우)되고, 이어서 디어써트(하이)된다. 저주파 발진기가, If_clk 신호에 나타낸 바와 같이, 여기서 2.56 ㎑의 낮은 속도로 기동된다. 주기적으로, 내부 웨이크 신호(wake_det)가, 여기서 0.1초의 간격으로 발생되고, 이때 마스터 상태 기계 리셋(smclk_rst_n)이 디어써트되고, 상태 기계 클록이 smclk 신호에서 제공된다. 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)는 그의 초기 IDLE 상태(300)로부터 BLINK 상태(302)로 천이하고, 디지털 깜박임 검출 서브시스템(dig_blink)(214) 및 clk_rst_gen 블록(210)에 의해 디지털 깜박임 검출 서브시스템(dig_blink)(214)에 제공되는 클록 신호(bl_clk)를 인에이블하기 위해 인에이블 신호(bl_go)를 어써트한다. 디지털 깜박임 검출 서브시스템(dig_blink)(214)은 디지털 깜박임 검출 서브시스템(dig_blink)(214)과 연관되어 있는 아날로그-디지털 변환기를 인에이블하기 위해 신호(adc_en)를 어써트한다. 아날로그-디지털 변환기가 활성일 때 아날로그-디지털 변환기에 대한 고주파 클록 소스를 추가로 인에이블하기 위해 adc_en 신호가 사용될 수 있다. 디지털 깜박임 검출 서브시스템(dig_blink)(214) 동작이 완료될 때, bl_done 신호가 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)에 어써트되고, 이어서 마스터 상태 기계(master_fsm)는 bl_go 신호를 디스에이블하고, 이에 의해 dig_blink 상태 기계(214)를 리셋한다. 이 예시적인 타이밍도에 나타낸 바와 같이, 이 시스템은 이어서 전하 펌프 전압 증배기(108)(도 1)를 활성화시키기 위해 전하 펌프 전압 증배기 제어기(dig_cp)(218)가 인에이블 신호(cp_an_en)를 어써트하는 CP 상태(306)로 천이한다. 전하 펌프 전압 증배기(108)가 활성일 때 전하 펌프 전압 증배기(108)에 대한 고주파 클록 소스를 추가로 인에이블하기 위해 cp_an_en 신호가 사용될 수 있다. 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)는 이어서 그의 DONE 상태(308)로 천이하고, 이 시점에서 클록 및 리셋 발생기(clk_rst_gen)(210)는 리셋 신호(smclk_rst_n)를 다시 어써트하고 상태 기계 클록(smclk)을 디스에이블한다. 예시된 시퀀스가 필요한 때에만 클록 및 회로를 인에이블함으로써 전체 시스템 전력 소모를 감소시키는 동작들을 포함한다는 것을 알 것이다.

도 5는 본 발명의 예시적인 시스템에 따른, 클록 신호에 대해 부가의 상세 사항이 제공되는 상태로, 클록 및 리셋 발생기(clk_rst_gen)(210) 및 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)의 많은 가능한 동작 시퀀스들 중 다른 하나를 도시하는 타이밍도를 제공한다. BLINK 상태(302)에서, 고속 아날로그-디지털 변환기 클록(adc_clk)을 인에이블하기 위해 디지털 깜박임 검출 서브시스템(dig_blink)(214)에 의해 제공되는 adc_en 신호가 센서 신호 경로에서 사용될 수 있다. 고속 아날로그-디지털 변환기 클록(adc_clk)은 연관된 센서 신호 경로에서 또는 클록 및 리셋 발생기에서 구현될 수 있다. 또한, 아날로그-디지털 변환기의 동작이 완료되었다는 것을 나타내기 위해 아날로그-디지털 변환기에 의해 제공되는 adc_done 신호가 도 5에 도시되어 있다. 본 발명의 일부 예시적인 실시예에서, adc_done 신호가 어써트될 때, 고속 아날로그-디지털 변환기 클록(adc_clk)이 디스에이블되거나 게이트 오프(gate off)될 수 있다. 이러한 방식으로, 아날로그-디지털 변환기가 그의 동작을 완료하는 데 필요한 최소 시간 동안 고속 아날로그-디지털 변환기 클록(adc_clk)은 활성이다. adc_done 신호에 의한 게이팅이 상태 기계 클록(smclk)의 다음 에지 훨씬 이전에 고속 아날로그-디지털 변환기 클록(adc_clk)의 디스에이블을 제공한다는 것을 알 것이다. 예를 들어, 일부 예시적인 실시예에서, 아날로그-디지털 변환기는 1 MHz의 속도로 고속 아날로그-디지털 변환기 클록(adc_clk)의 13개 사이클 내에 그의 동작을 완료한다. 따라서, 고속 아날로그-디지털 변환기 클록(adc_clk)은 인에이블된 후 13 마이크로초 내에, 2.56 ㎑ 또는 390 마이크로초 클록 속도로 동작하는 마스터 상태 기계에 의해 인에이블되고 나서 비교적 짧은 시간 후에 디스에이블될 수 있다. adc_clk 신호가 아날로그-디지털 변환기에 의해 adc_en이 어써트(활성 하이)될 때 인에이블되고 adc_done이 어써트(활성 하이)될 때 디스에이블되어 있는 것으로 도시되어 있는 신호들(adc_en, adc_done 및 adc_clk)의 원 표시 부분(501)에 이러한 거동이 예시되어 있다. 일부 추가의 예시적인 실시예에서, 비교기, 기준 전압 또는 전류원과 같은 아날로그 회로는 adc_done 신호의 어써션 시에 디스에이블될 수 있다. 이들 회로는 시스템의 원하는 평균 전류 소모 전체와 비교하여 비교적 많은 양의 전류를 소모할 수 있어서, 가능한 한 빨리 이들을 디스에이블하는 것은 렌즈 시스템의 전체 전력 소모를 크게 감소시킬 수 있다. 유사하게, 고속 전하 펌프 클록(cp_an_clk)을 인에이블하기 위해 디지털 전하 펌프 전압 증배기 제어기(dig_cp)(218)에 의해 제공되는 전하 펌프 인에이블 신호(cp_an_en)가 전하 펌프 전하 증배기에서 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 저주파 클록(lf_clk)으로 동작하는 시스템 제어기는 고속 클록이 필요할 때에만 가변 초점 렌즈 시스템에서 이 고속 클록을 인에이블 및 디스에이블할 수 있으며, 이에 의해 전력 소모를 최소화한다. 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)에 의해 제어되는 활성 동작이 각각의 0.1 s 구간 중에서 2.56 ㎑에서 대략 8 클록 사이클 또는 3.125 ms(1:32의 듀티비)를 필요로 하여, 각각의 서브시스템의 활성 시간을 최소화함으로써 낮은 전체 전력 소모가 제공된다는 것을 알 것이다.

도 5a는 전원을 켠 후에 0.1초 구간 전체가 보이도록 더 긴 시간 스케일에 걸쳐 도 5에 도시된 것과 유사한 일 세트의 시퀀스들 및 동작의 예시를 제공한다. 클록 및 리셋 발생기가 마스터 상태 기계 리셋(smclk_rst_n)을 디어써트하고 smclk 신호를 통해 상태 기계 클록을 제공할 때 제1 웨이크 업 시퀀스(wake up sequence)가 개시된다. 시스템 제어기 상태 기계는 도 5에서와 같은 일련의 동작들을 따르고, 3.125 밀리초(ms)의 지속기간(Tactive) 내에 동작들이 완료된다. 이 예시로부터 명백한 바와 같이, 0.1초 구간(Twake)의 나머지에 대한 유일한 활성 회로는 전압 조절기, 저주파 클록 및 카운터이다. 클록 및 리셋 발생기가 마스터 상태 기계 리셋(smclk_rst_n)을 디어써트하고 smclk 신호를 통해 상태 기계 클록을 제공할 때 구간(Twake)의 끝에서 제2 웨이크 업 시퀀스가 개시된다.

도 6은 클록 및 리셋 발생기(clk_rst_gen)(210)의 일부분의 예시적인 실시예를 도시한다. 클록 및 리셋 발생기(clk_rst_gen)(210)는 웨이크 카운터(wake counter)(600), 웨이크 검출 회로(602), 고 레지스터(go register)(604), 상태 기계 인에이블 레지스터(606), 및 상태 기계 클록 게이트(608)를 포함한다. 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)가 유휴 상태(300)에 있을 때, 저주파 클록(lf_clk) 및 웨이크 카운터(600)만이 활성이다. 저주파 클록(lf_clk)의 매 256개 사이클마다, 웨이크 카운터(600)는 웨이크 검출 회로(602)에 제공되는 웨이크 신호를 어써트한다. 웨이크 검출 회로(602)는 웨이크가 어써트된 후 저주파 클록(lf_clk)의 하나의 사이클 동안 웨이크 검출 신호(wake_det)를 어써트한다. 웨이크 카운터(600)는, 예를 들어, 회로가 맞춤형 논리(custom logic)로 설계되는 경우, 웨이크 검출 회로(602)에서의 홀드 시간(hold time)을 최대화하기 위해 저주파 클록(lf_clk)의 하강 에지에서 동작할 수 있다. 웨이크 검출 신호(wake_det)가 고 레지스터(604)에 제공된다. 고 레지스터(604)는 wake_det가 어써트될 때 고 신호(go signal)를 어써트하고, 마스터 상태 기계(master_fsm)(208)에 의해 제공되는 완료 신호가 어써트될 때까지 고 신호를 어써트된 또는 활성 상태에 홀드한다. 고 신호가 상태 기계 인에이블 레지스터(606)에 제공된다. 상태 기계 인에이블 레지스터(606)는 저주파 클록 신호(lf_clk)의 하강 에지에서 상태 기계 리셋 신호(smclk_rst_n)를 발생시킨다. 상태 기계 리셋 신호(smclk_rst_n)가 마스터 상태 기계(master_fsm)(208) 및 상태 기계 클록 게이트(608)에 제공된다. 상태 기계 클록 게이트(608)는 smclk_rst_n이 디어써트될 때 저주파 클록(lf_clk)에 기초하여 상태 기계 클록(smclk)을 제공한다. 도시된 예시적인 실시예에서, smclk_rst_n 신호가 활성 로우로 어써트되고 하이 레벨로 디어써트된다. 예시된 바와 같이, 상태 기계 클록 게이트(608)가 AND 게이트로서 구현될 수 있다.

깜박임 검출 서브시스템, 디지털 수신기 서브시스템, 전하 펌프 전압 증배기 서브시스템 및 부가의 서브시스템에 대한 인에이블 및 클록 게이팅 회로가 상태 기계 인에이블 레지스터(606) 및 상태 기계 클록 게이트(608)와 유사한 방식으로 구현될 수 있다는 것을 알 것이다. 이러한 방식으로, 글리치 없는(glitch-free) 방식으로 그리고 필요할 때에만 클록 및 서브시스템을 인에이블하도록 리셋, 인에이블 및 클록이 발생될 수 있고, 이에 의해 전력 소모를 최소화한다.

마스터 상태 기계, 디지털 서브시스템 상태 기계, 그리고 클록 및 리셋 발생기 회로가 작은 세트의 논리 게이트 및 플립 플롭으로 구성될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 시스템 제어기는 규소 반도체 집적 회로 다이 상에 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 논리 회로를 사용하여 매우 작은 면적에 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 시스템 제어기는 안과용 렌즈의 전체 크기 및 배터리 수명에 대한 요건에 부합하는 최소 전력 소모와 작은 면적 및 체적을 제공하는 방식으로 안과용 렌즈 내의 전자 시스템의 융통성 있는 제어를 제공하도록 원하는 기능을 제공한다.

시스템 제어기의 논리 함수는 당업계에 잘 알려진 유한 상태 기계(finite state machine)를 포함하는 순서 디지털 논리(sequential digital logic)로 구현될 수 있다. 알고리즘들 및 함수들 중 몇몇을 마이크로컨트롤러에서 실행되는 소프트웨어로 구현하는 것과 같은 대안적인 실시예가 가능하다는 것을 알 것이다. 하나 이상의 집적 회로들 사이에 상이한 유형의 센서들, 상이한 검출 알고리즘들 그리고 소프트웨어 및 하드웨어의 상이한 분할을 사용하는 것과 같은, 시스템에 대한 추가의 변형이 가능하다는 것을 알 것이다. 하나의 예시적인 실시예에서, 시스템 제어기는 단일 규소 CMOS 집적 회로 다이에 완전히 통합될 수 있다.

이제 도 7을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제어 시스템을 포함하는 전자 삽입물을 갖는 예시적인 콘택트 렌즈가 도시되어 있다. 예시적인 콘택트 렌즈(700)는 전자 삽입물(704)을 포함하는 연질 플라스틱 부분(702)을 포함한다. 이 전자 삽입물(704)은, 예를 들어, 활성화에 따라 가까이 또는 멀리 초점을 맞추는 본 명세서에 기술된 전자기기에 의해 활성화되거나 제어되는 렌즈(706)를 포함한다. 회로(708)는 삽입물(704) 상에 장착되고 하나 이상의 전기 상호접속 트레이스(712)를 통해 배터리와 같은 전원(710)에 접속된다. 부가의 회로가 또한 전기 상호접속 트레이스(712)를 통해 접속될 수 있다. 회로(708)는 하나 이상의 센서(714)를 비롯한 본 명세서에 기재된 구성요소들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.

하나의 예시적인 실시예에서, 전자기기 및 전자 상호접속부는 광학부에서보다는 콘택트 렌즈의 주변부에서 제조된다. 대안의 예시적인 실시예에 따르면, 전자기기의 위치설정이 콘택트 렌즈의 주변부로 제한될 필요가 없다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 본 명세서에 기술된 모든 전자 구성요소는 박막 기술 및/또는 투명 재료를 이용하여 제조될 수 있다. 이들 기술이 이용되는 경우, 전자 구성요소는, 광학계와 호환되는 한, 임의의 적합한 위치에 배치될 수 있다.

가장 실현가능하고 바람직한 실시예로 여겨지는 것이 도시되고 기술되지만, 기술되고 도시된 특정 설계 및 방법으로부터 벗어나는 것이 당업자에게 연상될 것이고 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남 없이 사용될 수 있다는 것은 명백하다. 본 발명은 설명되고 예시된 특정 구성으로 제한되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 포함될 수 있는 모든 변형과 일관성 있도록 구성되어야 한다.

Claims

안과용 기구로서,
눈 내부 또는 눈 표면 중 적어도 하나에서 사용하도록 구성된 안과용 장치에 포함되는 전자 시스템;
상기 전자 시스템 내에 포함되어 상기 전자 시스템의 동작을 제어하는 시스템 제어기로서, 적어도 하나의 신호를 수신하고 적어도 하나의 신호를 출력하는 마스터 상태 기계(master state machine)를 구현하도록 구성되는, 상기 시스템 제어기;
상기 전자 시스템에 포함되는 전자 회로로서, 상기 시스템 제어기와 작동가능하게 연관되고 상기 시스템 제어기에 전력을 제공하며, 하나 이상의 전원 및 하나 이상의 클록 발생 회로 또는 입력을 포함하는, 상기 전자 회로;
상기 시스템 제어기로부터 적어도 하나의 출력을 수신하도록 구성되는 적어도 하나의 작동기; 및
제1 센서 및 제1 센서 신호 경로를 포함하고, 상기 마스터 상태 기계는 상기 제1 센서 및 상기 제1 센서 신호 경로를 주기적으로 인에이블시키도록 그리고 상기 제1 센서 및 상기 제1 센서 신호 경로로부터 하나의 값 또는 시퀀스 값들을 갖는 센서 신호를 수신하도록 구성되며, 상기 마스터 상태 기계의 활성화 주기는 상기 제1 센서 및 상기 제1 센서 신호 경로의 사전 결정된 샘플 레이트에 대응하는, 안과용 기구.
제1항에 있어서, 상기 안과용 장치는 콘택트 렌즈를 포함하는, 안과용 기구.
제2항에 있어서, 상기 콘택트 렌즈는 소프트 콘택트 렌즈를 포함하는, 안과용 기구.
제2항에 있어서, 상기 콘택트 렌즈는 하이브리드 소프트/강성(rigid) 콘택트 렌즈를 포함하는, 안과용 기구.
제1항에 있어서, 상기 안과용 장치는 안구내(intraocular) 렌즈를 포함하는, 안과용 기구.
제1항에 있어서, 상기 안과용 장치는 누점 마개(punctal plug)를 포함하는, 안과용 기구.
제1항에 있어서, 상기 마스터 상태 기계는 하드웨어로 구현되는, 안과용 기구.
제1항에 있어서, 상기 마스터 상태 기계는 소프트웨어로 구현되는, 안과용 기구.
제1항에 있어서, 상기 마스터 상태 기계는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 구현되는, 안과용 기구.
제1항에 있어서, 상기 시스템 제어기는 하나 이상의 서브시스템을 포함하는, 안과용 기구.
제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 서브시스템은 클록 및 리셋 발생기 서브시스템을 포함하는, 안과용 기구.
제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 서브시스템은 디지털 깜박임 검출 서브시스템을 포함하는, 안과용 기구.
제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 서브시스템은 디지털 수신기 서브시스템을 포함하는, 안과용 기구.
제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 서브시스템은 전하 펌프 전압 증배기 제어기 서브시스템을 포함하는, 안과용 기구.
제11항에 있어서, 상기 마스터 상태 기계는, 상기 클록 및 리셋 발생기 서브시스템과 조합되어, 상기 하나 이상의 서브시스템에 인에이블 및 클록 신호들을 제공하여 상기 하나 이상의 서브시스템을 순차적으로 활성화시키고 이어서 동작의 완료 시에 상기 하나 이상의 서브시스템을 비활성화시켜 전력 소비를 최소화하도록 구성되는, 안과용 기구.
제11항에 있어서, 상기 클록 및 리셋 발생기 서브시스템은 저주파 클록 소스 및 카운터를 포함하는, 안과용 기구.
제16항에 있어서, 상기 시스템 제어기는 리셋 시에, 기동 시에, 그리고/또는 샘플링과 활성화 동작 사이의 활성 상태에서 상기 저주파 클록 소스 및 카운터만을 갖도록 구성되는, 안과용 기구.
제11항에 있어서, 상기 클록 및 리셋 발생기 회로는 상태 기계 클록 및 상태 기계 리셋을 상기 마스터 상태 기계에 제공하고 상기 마스터 상태 기계를 주기적으로 활성화시키도록 구성되는, 안과용 기구.
삭제
제1항에 있어서, 제2 센서 및 제2 센서 신호 경로를 추가로 포함하고, 상기 마스터 상태 기계는, 상기 제1 센서 및 상기 제1 센서 신호 경로로부터 고유의 사전 결정된 값 또는 시퀀스 값들을 검출할 시에, 상기 제2 센서 및 상기 제2 센서 신호 경로를 인에이블시키도록 구성되는, 안과용 기구.
제20항에 있어서, 상기 제1 센서 및 상기 제1 센서 신호 경로는 광센서 및 광센서 신호 경로를 포함하고, 상기 센서 신호는 상기 광센서에의 입사광 수준을 나타내는 값을 포함하는, 안과용 기구.
제21항에 있어서, 상기 사전 결정된 시퀀스 값들은 깜박임 패턴을 나타내는, 안과용 기구.
제22항에 있어서, 상기 마스터 상태 기계는 제1 깜박임 패턴의 검출 시에 렌즈 구동기를 인에이블시키는, 안과용 기구.
제23항에 있어서, 상기 마스터 상태 기계는 제2 깜박임 패턴의 검출 시에 광 또는 전자기 수신기 중 적어도 하나를 인에이블시키는, 안과용 기구.
제24항에 있어서, 상기 전자 시스템은 그의 동작들의 완료를 나타내는 "완료(done)" 신호를 상기 마스터 상태 기계에 제공하도록 구성되는 고속 클록을 갖는 서브시스템을 추가로 포함하는, 안과용 기구.
제25항에 있어서, 상기 서브시스템이 그의 동작들을 완료할 때 상기 고속 클록 신호는 상기 서브시스템에 의해 디스에이블되는, 안과용 기구.
제1항에 있어서, 상기 전자 회로는 전력 관리 회로를 추가로 포함하는, 안과용 기구.
제1항에 있어서, 상기 전자 회로는 하나 이상의 고전압 발생기를 추가로 포함하는, 안과용 기구.
제1항에 있어서, 상기 전자 회로는 하나 이상의 스위칭 회로를 추가로 포함하는, 안과용 기구.
제1항에 있어서, 상기 전자 회로는 하나 이상의 센서를 추가로 포함하는, 안과용 기구.