TWI587020B - 具有發射器檢測器對感測器的電子眼用鏡片 - Google Patents

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TWI587020B
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丹尼爾 歐提斯
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Description

具有發射器檢測器對感測器的電子眼用鏡片
本發明係關於一種供電或電子眼用鏡片，該眼用鏡片具有用於偵測或測定至近物之距離的一感測器及相關硬體與軟體，並且更具體而言係關於一種用於偵測或測定至近物距離以改變可變焦度光學件之焦距的一感測器及相關硬體與軟體。
隨著電子裝置之微型化，要製造出用於各種不同用途的穿戴式或嵌入式的微電子裝置也越來越可能。相關的用途可包括監測體內各種化學態樣、藉由不同的機制包括自動、依據量測結果、或依據外部控制信號來施予受控劑量的藥物或治療試劑，以及增強器官或組織的功能。類似的產品包括如葡萄糖輸液泵、人工心律調節器、電擊器、心室輔助裝置以及神經刺激器等。而眼用穿戴式鏡片以及隱形眼鏡為其新穎且功效卓著的應用領域。例如，可將一可電動調焦的鏡片組件與穿戴式鏡片結合以擴增或強化眼睛的功能。在另外一個實例中，隱形眼鏡可與電子感測器結合以檢測角膜淚液中的特定化學物質的濃度，不論該隱形眼鏡是否具有調整焦距能力。在鏡片組件中使用嵌入式電子元件將產生潛在需求以與該電子元件通訊、為該電子元件供電及/或充電之方法、互相連接該些元件、內部以及外部信號感測及/或監控以及控制該些電子元件以及該鏡片的整體功能。
人類的眼睛可以分辨數百萬種顏色、輕易適應變動光線的條件並且以超過高速網路傳輸的速度將信號或資訊傳送至大腦。目前如隱形眼鏡以及人工水晶體等鏡片用來矯正諸如近視、遠視、老花眼及散光等視力缺陷。然而，可利用結合額外元件且經過適當設計的鏡片來增強視力以及矯正視力缺陷。
隱形眼鏡可用來矯正近視、遠視、散光以及其他視力缺陷。隱形眼鏡亦可用來增強配戴者眼睛的自然外貌。隱形眼鏡簡單地來說就是放置於眼睛前表面的鏡片。隱形眼鏡被視為醫療裝置，可配戴來矯正視力及/或用於妝飾或其他治療用途。從1950年代起，隱形眼鏡已商品化應用，用來改善視力。早期的隱形眼鏡係由硬質材料構成或製成，相對昂貴且脆弱。此外，這些早期隱形眼鏡製作上使用的材料，並不能讓足夠的氧氣穿透隱形眼鏡而抵達結膜和角膜，可能會導致一些不良的臨床效果。雖然這些隱形眼鏡仍在使用，但是其剛開始的舒適性較差，因此並不適合所有患者。在該領域稍後發展中，產生出以水凝膠為基底的軟性隱形眼鏡，為現今非常流行且廣泛使用者。具體而言，現今可用的聚矽氧水凝膠隱形眼鏡，結合具有非常高透氧性的聚矽氧優點和經證實的水凝膠舒適性及臨床表現。基本上，該些基於聚矽氧水凝膠的隱形眼鏡與早期硬質材料製成的隱形眼鏡相較，具有較高的透氧性且一般配戴起來較為舒適。
傳統隱形眼鏡為具有特定形狀以矯正如前所述的各種視力缺陷的聚合物材料結構。為實現增強功能性，必須將各種電路和元件整合至該些聚合物材料結構。例如，可藉由客製化的光電元件來將例如控制電路、微處理器、通訊裝置、電源供應器、感測器、致動器、發光二極體以及微型天線整合至隱形眼鏡中，如此不僅可矯正視力也可以增強視力以及提供本文所述的額外功能。可將電子及/或供電的隱形眼鏡設計為藉由放大以及縮小的功能或單純調整鏡片的折射能力來增強視力。可將電子式及/或電驅動的隱形眼鏡設計為強化顏色以及解析度、展示結構資訊、即時將演講翻譯成字幕、提供來自導航系統的視覺提示以及 提供影像處理與網路接入。該些鏡片可設計用來讓使用者在低光度的環境下能夠看見事物。鏡片上適當設計的電子元件及/或電子元件的配置可將影像投射至視網膜上，例如在沒有可變焦光學鏡片的狀況下提供新穎圖像顯示且甚至提供喚醒警示。或者，除了這些功能或與其相似的功能外，該隱形眼鏡可結合用於使用者之生物標記及健康指標的非侵入式監控的組件。例如，內建於鏡片的感測器可讓糖尿病患者不需要抽血，而以分析淚液膜的成分來監控血糖值。此外，適當配置的鏡片可結合監控膽固醇、鈉與鉀濃度以及其他生物性指標的感測器。此再耦合至無線資料傳輸器，這樣即能讓醫生幾乎可立即得到的病患血液化學資訊，而不需要讓病患花時間至實驗室抽血檢驗。此外，可利用內建於鏡片的感測器來偵測入射至眼中的光線以補償環境光照狀況或用於測定眨眼模式。
該些裝置的適當組合可產生潛力無窮的功能；然而，要結合這些額外的元件到一片光學級之聚合物上有許多的困難。一般而言，許多原因使得直接在鏡片上製造這些元件以及在非平面表面上安裝和互連平面裝置有難度。要依照比例製造也很困難。需要將放置在鏡片上或鏡片中的元件微型化且整合至僅1.5平方公分的透明聚合物上，同時還要保護這些元件不受眼睛中的液體環境所影響。在這些附加的元件增加厚度的狀況下，要讓隱形眼鏡使用者感到舒適和安全也很困難。
因為眼用裝置(如隱形眼鏡)在面積與體積上的限制以及其所被使用的環境，要物理實現這樣的裝置必須克服許多問題，包括在非平面表面上安裝與互連數個電子元件，其中該非平面表面之主體為光學塑料。因此，有需要提供機械性及電子性堅固的電子隱形眼鏡。
因為這些都是供電鏡片，有鑑於眼用鏡片規模的電池技術，運作這些電子設備的能源或更具體的電流消耗令人憂慮。除了一般的電流消耗之外，此性質的供電裝置或系統一般需要待機電流儲備、精確電壓控制與確保在操作參數可能寬廣的 範圍下操作的切換能力以及突發消耗，例如可能保持閒置多年後一次充電後使用至多18小時。因此，需要有一種低價、長期可靠的服務、安全及規格最佳化而能提供所需電力的系統。
此外，因為與供電鏡片相關的功能之複雜性以及包含供電鏡片的所有組件之間的高度相互作用，需要協調及控制包含供電眼用鏡片的電子與光學設備的整體操作。因此，需要有一安全、低價、可靠、具有低耗電速率且可縮放以併入眼用鏡片之系統來控制所有其他組件。
供電或電子眼用鏡片可能必須考慮個人使用該供電或電子眼用鏡片之特定、獨特的生理功能。更具體地，供電鏡片可能需要考慮眨眼，包括給定期間內的眨眼次數、一次眨眼的持續時間、眨眼間的時間與任何種可能的眨眼模式，例如，如果該個人打瞌睡。眨眼偵測亦可用於提供特定功能，例如，眨眼可用作一種控制供電眼用鏡片一或多個態樣的方式。另外，當確定眨眼時必須考慮外部因素，例如光強度程度的改變以及人的眼瞼阻擋的可見光量。例如，若一室內照度值在54與161勒克司之間，光感測器應夠靈敏以偵測當人眨眼時光強度的改變。
環境光感測器或光感測器用於多種系統與產品，例如，在電視上以根據室內光調整亮度、在燈上以在昏暗時開啟以及在電話上以調整螢幕亮度。然而，這些目前使用的感測器不夠小及/或耗電不夠低以併入隱形眼鏡中。
同樣重要的是要注意，不同類型的眨眼偵測器可利用指向一使用者眼睛的電腦視覺系統而實施，例如數位化至一電腦的攝影機。電腦上運行的軟體可辨識視覺模式如眼睛的開與閉。該些系統可用於針對診斷目的或研究之眼用臨床設置中。與上述偵測器及系統不同的是，該些系統是為了眼外使用且為看向眼睛而非由眼睛看出。雖然該些系統未小到足以併入隱形眼鏡，所使用的軟體可與配合供電隱形眼鏡運作的軟體相似。任一系統可結合由輸入學習並因而調整其輸出的人工神經網路的軟 體實施。或者，結合統計學、其他可適性演算法及/或訊號處理之非基於生物的軟體實施可被用於創造智慧系統。
因此，需要有一種根據感測器所偵測的眨眼序列的類型來偵測特定生理功能(如眨眼)及使用該些功能啟動及/或控制一電子或供電眼用鏡片的方式或方法。所使用的感測器必須製成合適大小並配置以用於隱形眼鏡。
發射器偵測器對常見於各式領域/技術中並且用於偵測物體的存在與位置。例如，紅外線(IR)發光二極體(LED)發射器係耦合於半導體偵測器以判定手接近給紙巾器或給皂器。發射器偵測器對亦常見於用在室內照明及警報系列的存在感測，例如在使用者進入房間時觸發照明燈，或者在入侵者進入時觸發警報。此類系統可包含全域IR照明及一IR攝影機，而其他系統可包含該發射器與偵測器間更緊密的觸發耦合，例如一僅與一在數英吋距離內之感測器耦合且與該偵測器時間同步的近場IR發射器。
發射器偵測器對亦常見於用在攝影及錄影中。超音波系統可用來在攝影機自動對焦系統中測定物體位置。其他自動對焦系統可搭配環境光與/或發射光使用，例如對比偵測演算法可應用於一系列由影像感測器在掃瞄一鏡片之焦距時所獲得的影像。在某些低照明的情況下，攝影機將會發射閃光或光束並記錄其反射，以判定待擷取的影像是否焦點對準。如果不是，則攝影機將命令伺服機改變物鏡的焦距。
測定物體位置對於決定一包含可變焦度光學件之眼用鏡片的所欲焦距可能為有用者，例如判定鏡片的老花眼使用者想要聚焦在一本近處書籍或一個遠方路標。發射器偵測器可因而在電子眼用裝置中為有用者。然而，現有發射器偵測器對尚不完全適用於電子或供電眼用鏡片。因此，有需要提供一種發射器偵測器對，其具有用於結合至一眼用鏡片中所需之特性，包括物理尺寸、電流及/或電力消耗、與眼睛注視的關聯以及許多其他因素。
依據本發明之具有發射器偵測器對感測器的電子眼用鏡片可解決與以上簡述之先前技術相關聯的限制。
依據一態樣，本發明係針對一供電眼用鏡片。該供電眼用鏡片包含一包括一光學區與一外圍區之隱形眼鏡，以及一結合至該隱形眼鏡之外圍區中的發射器偵測器對感測器系統，該發射器偵測器對感測器系統包含一發射器、一偵測器、一控制器及至少一致動器，該發射器用於傳送出一訊號，該偵測器用於擷取該訊號之反射，該控制器係協同關聯至該配置用來測定該隱形眼鏡與一物體間之距離的發射器與偵測器，並且根據所測得之距離輸出一控制訊號，該至少一致動器係配置用來接收該控制訊號並且實施一預定功能。
依據另一態樣，本發明係針對一種供電眼用鏡片。該供電眼用鏡片包含一隱形眼鏡，以及一結合至該隱形眼鏡中的發射器偵測器對感測器系統，該發射器偵測器對感測器系統包含一發射器、一偵測器、一控制器及至少一致動器，該發射器用於傳送出一訊號，該偵測器用於擷取該訊號之反射，該控制器係協同關聯至該配置用來測定該隱形眼鏡與一物體間之距離的發射器與偵測器，並且根據所測得之距離輸出一控制訊號，該至少一致動器係配置用來接收該控制訊號並且實施一預定功能。
依據又一態樣，本發明係針對一種供電眼用鏡片。該供電眼用鏡片包含一人工水晶體，以及一結合至該人工水晶體的發射器偵測器對感測器系統，該發射器偵測器對感測器系統包含一發射器、一偵測器、一控制器及至少一致動器，該發射器用於傳送出一訊號，該偵測器用於擷取該訊號之反射，該控制器係協同關聯至該配置用來測定該隱形眼鏡與一物體間之距離的發射器與偵測器，並且根據所測得之距離輸出一控制訊號，該至少一致動器係配置用來接收該控制訊號並且實施一預定功能。
本發明更大體上關於一包含一電子系統的供電隱形眼鏡，該電子系統會執行許多功能，包含在內含一可變焦光 學件時致動該可變焦光學件。該電子系統包含一或多個電池或其他電源、電力管理電路系統、一或多個感測器、時鐘產生電路系統、控制演算法與電路系統以及鏡片驅動電路系統。
在新生兒中，其眼睛的晶狀體在某種程度上為柔軟且易彎曲，使其極具撓性且能夠進行大幅度的調節或聚焦。隨著年齡增長，其晶狀體逐漸變得更為堅硬，因此眼睛比較無法進行調節或者彎曲天然晶狀體以聚焦在相對接近觀察者的物體上。此種狀況即所知的老花眼。
正焦度鏡片可用來回復晶狀體所喪失的聚焦力。正焦度鏡片可採取老花眼鏡、雙焦點鏡片或三焦點鏡片的形式。當一個人不需要遠距離的屈光矯正時使用老花眼鏡即可。然而，在透過老花眼鏡觀看時，遠物將會模糊不清。如果一個人已因為近視、遠視與/或散光而配戴眼鏡時，則此正焦度將會以雙焦點或三焦點鏡片的形式加至現有眼鏡上。亦可配戴隱形眼鏡來處理老花眼。在此類鏡片的其中一種類型中，遠距離與近距離視覺區係環繞該鏡片之幾何中心以同心的方式排列。穿過該鏡片光學區之光係集中並聚焦在眼睛中的超過一點處。這些鏡片通常以同時視覺(simultaneous vision)模式來使用。在同時視覺中，鏡片光學區同時有聚焦於遠距離及近距離的部分，從而同時聚焦來自兩種物體距離的光。由於影像品質及影像對比可能會下降，此為不適宜者。
在另一類隱形眼鏡中；亦即分段式鏡片，其近距離與遠距離視覺區相對於鏡片之幾何中心並非同心。分段式鏡片的配戴者能夠利用鏡片的近距離視覺區，因為鏡片建構的方式使其能夠轉換遠近，或者相對於配戴者眼睛的瞳孔垂直移動。當配戴此鏡片的人改變為向下注視(例如閱讀)時，此能轉換遠近的鏡片會垂直移動。此會將近距離視覺區定位於配戴者注視的中心。實質上所有通過光學區的光會根據注視而聚焦在眼睛中的單一點。
一電子或供電眼用鏡片或更特定為一電子或供電隱形眼鏡可如上所說明者，執行許多功能，包括致動一可變焦度光學件。因此，如果一供電眼用鏡片包含一可變焦度光學件，配戴該鏡片的人會能夠提高其增加焦度(add power)以觀看近距離物體，或者減少其增加焦度以觀看遠距離物體。換言之，一供電隱形眼鏡會為老花眼的人帶來顯著的好處。對於該可變焦度光學件的控制可用多種方式達成。依據本發明，一發射器偵測器對感測器可結合至該隱形眼鏡中以自動控制該可變焦度光學件。發射器偵測器對感測器為單純只發射來自一發射器電路之訊號的裝置，該訊號會自該訊號路徑中的物體彈回並且由一偵測器電路擷取。透過測知所傳送的能源及發射至偵測的經過時間，即可測定該發射器偵測器對感測器至該物體間的距離。此資訊可為傳送至該供電隱形眼鏡之一系統控制器的輸入，該控制器會命令一致動器依此來調整該可變焦度光學件。
一紅外線發射器偵測器對感測器對於基本物體或障礙偵測可為有利者，並且容易實施。本發明採取此基本電路並且實施此基本電路以結合至一隱形眼鏡中。
100‧‧‧隱形眼鏡
101‧‧‧環境光
102‧‧‧光感測器
103‧‧‧電流
104‧‧‧放大器
106‧‧‧ADC
108‧‧‧微處理器
110‧‧‧電源
112‧‧‧致動器
114‧‧‧系統控制器
300‧‧‧狀態轉變
302‧‧‧閒置狀態
304‧‧‧WAIT_ADC狀態
306‧‧‧移位狀態
308‧‧‧比較狀態
310‧‧‧完成狀態
402‧‧‧光二極體
404‧‧‧跨阻抗放大器
406‧‧‧自動增益與低通過濾 階段
408‧‧‧ADC
410‧‧‧系統控制器
500‧‧‧數位調節邏輯
502‧‧‧數位暫存器
504‧‧‧臨界值產生電路
506‧‧‧比較器
508‧‧‧增益調整區塊
600‧‧‧數位偵測邏輯
602‧‧‧移位暫存器
604‧‧‧比較區塊
606‧‧‧D正反器
608‧‧‧計數器
800‧‧‧數位系統控制器
802‧‧‧數位眨眼偵測子系統
804‧‧‧主狀態機
806‧‧‧時鐘產生器
1000‧‧‧積體電路晶片
1002‧‧‧光通過區
1004‧‧‧光阻擋區
1006‧‧‧焊墊
1008‧‧‧鈍化開口
1010‧‧‧光阻擋層開口
1100‧‧‧隱形眼鏡
1102‧‧‧軟塑料部分
1104‧‧‧電子插入件
1106‧‧‧鏡片
1108‧‧‧積體電路
1110‧‧‧電池
1112‧‧‧光感測器
1114‧‧‧配線跡線
1200‧‧‧隱形眼鏡
1201‧‧‧眼睛
1202‧‧‧控制器
1204‧‧‧發射器
1206‧‧‧偵測器
1300‧‧‧遠焦狀態
1302‧‧‧反射振幅
1304‧‧‧近焦
1306‧‧‧反射振幅
從以下的本發明較佳實施例之詳細說明中，並配合附圖所示，將更清楚明白本發明之前述及其他特徵與優勢。
圖1說明一例示性隱形眼鏡，其包含一根據本發明一些實施例之眨眼偵測系統。
圖2說明一入射於眼睛表面之光對時間的圖示，其說明在不同光強度值所記錄之可能的非自主眨眼模式對時間的圖，以及一根據本發明最大與最小光強度值之間某些點之可用的臨界值。
圖3為根據本發明之眨眼偵測系統的例示性狀態轉移圖。
圖4為根據本發明用於偵測及取樣接收的光訊號之光偵測路徑的圖示。
圖5為根據本發明數位調節邏輯之區塊圖。
圖6為根據本發明數位偵測邏輯之區塊圖。
圖7為根據本發明之例示性時序圖。
圖8為根據本發明數位系統控制器的圖示。
圖9為根據本發明自動增益控制的例示性時序圖。
圖10為根據本發明之例示性積體電路晶片上光阻擋及光通過區的圖示。
圖11為根據本發明供電隱形眼鏡之例示性插入件(包含一眨眼偵測器)的圖示。
圖12為根據本發明之指向性發射器偵測器對的圖示，其係結合至一供電眼用鏡片。
圖13為所欲焦距與由一距離偵測發射器偵測器對所接收之訊號間的相關性圖示，此係依據本發明。
傳統隱形眼鏡為具有特定形狀以矯正如前所述的各種視力缺陷的聚合物材料結構。為實現增強功能性，可將各種電路和元件整合至該些聚合物材料結構。例如，可藉由客製化的光電元件來將例如控制電路、微處理器、通訊裝置、電源供應器、感測器、致動器、發光二極體以及微型天線整合至隱形眼鏡中，如此不僅可矯正視力也可以增強視力以及提供本文所述的額外功能。可將電子及/或供電隱形眼鏡設計為藉由放大以及縮小的功能或單純調整鏡片的折射能力來增強視力。可將電子式及/或電驅動的隱形眼鏡設計為強化顏色以及解析度、展示結構資訊、即時將演講翻譯成字幕、提供來自導航系統的視覺提示以及提供影像處理與網路接入。可將該些鏡片設計為能讓使用者在低光度的環境下看見事物。鏡片上適當設計的電子元件及/或電子元件的配置可將影像投射至視網膜上，例如在沒有可變焦光學鏡片的狀況下提供新穎圖像顯示且甚至提供喚醒警示。或者，除了這些功能或與其相似的功能外，該隱形眼鏡可結合用於使用者之生物標記 及健康指標的非侵入式監控的組件。例如，內建於鏡片的感測器可讓糖尿病患者不需要抽血，而以分析淚液膜的成分來監控血糖值。此外，適當配置的鏡片可結合監控膽固醇、鈉與鉀濃度以及其他生物性指標的感測器。再耦合至無線資料傳輸器，這樣即能讓醫生幾乎可立即得到的病患血液化學資訊，而不需要讓病患花時間至實驗室抽血檢驗。此外，可利用內建於鏡片的感測器來偵測入射至眼中的光線以補償環境光照狀況或用於測定眨眼模式。
本發明之供電或電子隱形眼鏡包含該些必要元件以矯正及/或增加具有上述之一或多種視力缺陷的患者之視力，或執行一有用的眼用功能。此外，該電子隱形眼鏡可用於增強一般視力或提供上述各種功能。該電子隱形眼鏡可包括一可變焦的光學鏡片、一嵌入隱形眼鏡中的前部光學組件或在沒有鏡片的狀況下僅嵌入電子元件，以用於任何適當的功能。本發明之電子鏡片可結合至任何數量之上述隱形眼鏡。此外，人工水晶體亦可結合本文所述各種組件與功能。然而為了方便說明，本揭示將著重在一用於矯正視力缺陷且單次使用之日拋型電子隱形眼鏡。
本發明可用於包含一電子系統的供電眼用鏡片或供電隱形眼鏡中，該電子系統制動一可變焦光學件或其他任何裝置或配置以實施任何數量之多種可被執行的功能之裝置。該電子系統包含一或多個電池或其他電源、電力管理電路系統、一或多個感測器、時鐘產生電路系統、控制演算法與電路系統以及鏡片驅動電路系統。該些組件的複雜度可隨著所需或所欲的鏡片之功能而改變。
電子或供電眼用鏡片之控制可透過手動操作與該鏡片無線通訊的外部裝置(如手持遠端裝置)而完成。例如，一錶鏈可根據配戴者手動輸入與該供電鏡片無線通訊。或者，供電眼用鏡片的控制可經由直接來自配戴者的回饋或控制訊號完成。例如，該鏡片內建的感測器可偵測眨眼及/或眨眼模式。根據眨眼的模式或序列，該供電眼用鏡片可改變狀態，例如，為了聚焦近物或是遠物的折射率。
或者，供電或電子眼用鏡片中的眨眼偵測可用於其他各種在使用者與該電子隱形眼鏡之間有互動的用途，如啟動另一電子裝置，或傳送指令至另一電子裝置。例如，眼用鏡片中的眨眼偵測可用於結合一電腦上的相機，其中該相機追蹤眼睛在電腦螢幕上的移動，且當該使用者執行一偵測到眨眼序列，使滑鼠指標執行一指令，像是於項目上快按兩次或選擇一選單項目。
眨眼偵測演算法係為系統控制器的一組件，其偵測眨眼的特性，例如，眼瞼是開或閉、眨眼的持續時間、眨眼間的持續時間及一給定期間內之眨眼次數。根據本發明的演算法係依照在特定取樣速率下取樣入射眼睛的光。預定的眨眼模式係經儲存並與入射光樣本之最近歷史記錄比較。當模式符合時，該眨眼偵測演算法可觸發該系統控制器中的動作，例如，啟動該鏡片驅動器以改變該鏡片的折射焦度。
眨眼係眼瞼的快速開閉且為眼睛的重要功能。眨眼保護眼睛免受外來物影響，例如，人在物體意外出現在靠近眼睛處時會眨眼。眨眼藉由散佈眼淚以提供眼睛前表面的潤滑。眨眼亦可用來除去眼睛中的汙染物及/或刺激物。一般而言，眨眼係自動完成，但外部刺激可能造成如刺激物的情形。然而，眨眼亦可為目的性，例如無法以口語或手勢溝通的個體可以眨眼一次表示是，眨眼兩次表示不是。本發明之眨眼偵測演算與系統使用不會與一般眨眼反應混淆的眨眼模式。換言之，若眨眼係用作為控制一動作的方式，則選定為給定動作的特定模式不可隨機發生。否則可能發生不經意的動作。由於眨眼速度會受各種因素影響，包括疲勞、眼睛受傷、用藥及疾病，用於控制目的之眨眼模式較佳為考慮影響眨眼的這些與其他任何變因。非自主眨眼的平均長度係於約100至400微秒的範圍內。平均成年男性及女性為每分鐘10次非自主眨眼的速率，而非自主眨眼之間的平均時間為約0.3至70秒。
該眨眼偵測演算法之一例示性實施例可歸納為以下步驟。
1.界定使用者為了正眨眼偵測而將執行的有意識「眨眼序列」。
2.以符合偵測眨眼序列及去除非自主眨眼的速率來取樣入射光值。
3.將取樣的光值之歷史記錄與預期的「眨眼序列」(如同眨眼模板之值所定義)比較。
4.可選擇地實施眨眼「遮罩」序列以指出在比較時要忽略的模板部份，例如近轉換(near transition)。這樣可讓使用者偏離所欲的「眨眼序列」，如正或負一(1)錯誤空窗，其中可發生鏡片啟動、控制及焦距改變的其中一者或多者。此外，這樣可容許眨眼序列之使用者的時序有變異。
一例示性眨眼序列可定義如下：
1.眨眼(閉)0.5秒
2.睜開0.5秒
3.眨眼(閉)0.5秒
在100毫秒的取樣速率下，20個樣本眨眼模板係設為blink_template=[1,1,1, 0,0,0,0,0, 1,1,1,1,1, 0,0,0,0,0, 1,1]。
眨眼遮罩係定義來在轉移後遮蔽該樣本(0為遮蔽或忽略樣本)且係設為blink_mask=[1,1,1, 0,1,1,1,1, 0,1,1,1,1, 0,1,1,1,1, 0,1]。
可選擇地，一較廣的轉移區可經遮蔽以容許更多的時序不確定性，且係設為blink_mask=[1,1,0, 0,1,1,1,0, 0,1,1,1,0, 0,1,1,1,0, 0,1]。
可實施替代模式，例如一次長眨眼，在此情況中為1.5秒眨眼與24-樣本模板，設為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]。
重要的是要注意上述實例係用於說明目的，並非呈現特定資料組。
偵測可藉由邏輯比較樣本之歷史記錄與樣本及遮罩而實施。邏輯操作係於一按位元的基礎上互斥或(XOR)該模板與該樣本歷史記錄序列，且接著驗證所有未遮蔽歷史記錄位元與該模板符合。例如，如上述眨眼遮罩樣本所說明，在值為邏輯1的眨眼遮罩之序列的各個位置中，眨眼必須符合在該序列之該位置的眨眼遮罩模板。然而，在值為邏輯0的眨眼遮罩之序列的各個位置中，眨眼不需符合在該序列之該位置的眨眼遮罩模板。例如，可利用以下布林(Boolean)演算法方程式，如MATLAB®中所編碼者。
符合=not(blink_mask)∣not(xor(blink_template,test_sample))，其中test_sample為該樣本歷史記錄。符合的值為具有如眨眼樣本、樣本歷史記錄及blink_mask相同長度的序列。若該符合的序列皆為邏輯1，則發生一良好符合。將其細分，not(xor(blink_template,test_sample))對各個不符合給予一邏輯0且對各個符合給予一邏輯1。具有反向遮罩的邏輯實行「或」操作(Logic oring)會將該符合序列中之各個位置強制為邏輯1而該遮罩為邏輯0。因此，若越多在眨眼遮罩模板中之位置的值指定為邏輯0，則可容許與人眨眼相關的誤差範圍也越大。MATLAB®為一數值計算、視覺化及程式規劃的高階語言與實施，且為MathWorks(Natick，Massachusetts)的產品。重要的是要注意該眨眼遮罩模板中的邏輯0數量越多，越有可能誤判為符合預期或意欲的眨眼模式。應理解各種預期或意欲的眨眼模式可經程式化至一裝置 中，一次可有一或多個有效。更具體而言，多個預期或意欲的眨眼模式可用於相同目的或功能，或實施不同或替代功能。例如，一眨眼模式可用來使該鏡片放大或縮小一意欲目標，而另一眨眼模式可用來使該鏡片上的另一裝置(例如一泵)傳遞一劑量之治療劑。
圖1根據本發明之例示性實施例，以區塊圖形式說明一包含一電子眨眼偵測系統的隱形眼鏡100。在此例示性實施例中，該電子眨眼偵測系統可包含一光感測器102、一放大器104、一類比數位轉換器(或ADC)106、一數位訊號處理器108、一電源110、一致動器112及一系統控制器114。
當該隱形眼鏡100放置於使用者的眼睛之前表面上，該眨眼偵測系統之電子電路系統可用來實施本發明的眨眼偵測演算法。該光感測器102以及其他電路系統係配置用來偵測使用者眼睛所產生的眨眼及/或各種眨眼模式。
在此例示性實施例中，該光感測器102可嵌入該隱形眼鏡100並接收環境光101，將入射光子轉換成電子並因而導致一電流(如箭頭103所指示者)流入該放大器104。該光感測器或光偵測器102可包含任何適合的裝置。在一例示性實施例中，該光感測器102包含一光二極體。在一較佳例示性實施例中，該光二極體係以一互補金屬氧化物半導體(CMOS製程技術)實施以增加整合能力並降低該光感測器102與其他電路系統的整體大小。該電流103係與入射光值成比例，且當眼瞼覆蓋該光偵測器102時會顯著下降。該放大器104產生一與輸入成比例的輸出(帶有增益)，且可作用為一將輸入電流轉換為輸出電壓的跨阻抗放大器。該放大器104可放大一訊號至該系統其餘部分可用的程度，如給予該訊號足夠電壓及功率以由該ADC 106蒐集。例如，該放大器對驅動後續區塊可能是必要的，因為該光感測器102的輸出可為相當小且可用於低光環境。該放大器104可實施作為一可變增益放大器，其增益可由該系統控制器114調整(以一回饋配置方式)以最大化該系統的動態範圍。除了提供增益之 外，該放大器104可包含其他類比訊號調節電路系統，如過濾以及其他適合該光感測器102與放大器104輸出的其他電路系統。該放大器104可包含任何用於放大及調節該光感測器102之訊號輸出的合適裝置。例如，該放大器104可單純包含一單運算放大器，或者包含一或多個運算放大器的更複雜電路。如前所述，該光感測器102與該放大器104係配置用來偵測及分離根據透過眼睛所接收之入射光強度的眨眼序列，並將該輸入電流轉換為一最終可為該系統控制器114所用的數位訊號。該系統控制器114較佳為預程式化或預配置以辨識在各種光強度值條件下各種眨眼序列及/或眨眼模式，並提供一適合該致動器112的輸出訊號。該系統控制器114亦包含相關的記憶體。
在此例示性實施例中，該ADC 106可用來將一來自該放大器104之連續、類比訊號輸出轉換成一適合進一步訊號處理之經取樣數位訊號。例如，該ADC 106可將來自該放大器104之類比訊號輸出轉換成一後續或下游電路(如數位訊號處理系統或微處理器108)可使用的數位訊號。一數位訊號處理系統或數位訊號處理器108可用於數位訊號處理，包含過濾、處理、偵測及其他操作/處理經取樣的資料之其中一者或多者，以允許入射光偵測供下游使用。該數位訊號處理器108可與上述眨眼序列及/或眨眼模式經預程式化。該數位訊號處理器108亦包含相關的記憶體。該數位訊號處理器108可利用類比電路系統、數位電路系統、軟體或其組合而實施。在該說明例示性實施例中，其係以數位電路系統來實施。伴隨相關放大器104與數位訊號處理器108的該ADC 106係以與前述取樣速率一致的適合速率啟動，例如每100毫秒。
一電源110供應電力給包含該眨眼偵測系統的多個組件。該電力可由一電池、能源擷取器或其他適合手段所供應，如熟悉本領域之技藝者所習知者。實質上，任何類型的電源110皆可用來提供可靠電力予該系統的所有其他組件。眨眼序列可用來改變該系統及/或該系統控制器的狀態。此外，該系統控制 器114可依據來自該數位訊號處理器108的輸入來控制一供電隱形眼鏡的其他態樣，例如，經由該致動器112來改變電子控制鏡片的焦距或折射焦度。
該系統控制器114使用來自該光感測器鏈的訊號；亦即該光感測器102、該放大器104、該ADC 106及該數位訊號處理系統108以比較經取樣的光值與眨眼啟動模式。參見圖2，其說明在各種光強度值下所記錄之眨眼模式樣本對時間的圖示以及一可用的臨界值。因此，當取樣入射至眼睛的光時，考慮各種因素可能減少及/或避免偵測眨眼的錯誤，如考慮在不同地方及/或在執行各種活動時光強度值的改變。另外，當取樣入射至眼睛的光時，考慮環境光強度的改變可能對眼睛及眼瞼造成的效果亦可能減少及/或避免偵測眨眼的錯誤，如在低光強度值與高光強度值時眼瞼閉上可阻擋多少可見光。換言之，為了避免使用錯誤的眨眼模式來控制，較佳為考慮環境光值，如以下所詳細說明者。
例如，在一研究中發現眼瞼平均可阻擋大約百分之九十九(99%)的可見光，但在較短的波長下較少光傾向通過眼瞼，阻擋掉大約99.6百分比的可見光。在較長的波長下(偏向光譜紅外光部份)，該眼瞼僅可阻擋百分之三十(30%)的入射光。然而，重要的是請注意；在不同頻率、波長和強度下，光可能以不同的效率通過眼瞼。例如，當看向亮光源時，一個人可能在眼瞼閉上時看到紅光。個人眼瞼可阻擋多少可見光亦有變異性，如個人的皮膚色素。如圖2所說明，說明在70秒的期間模擬不同光值下眨眼模式的資料樣本(其中記錄在模擬期間通過眼睛的可見光強度值)以及一可用的臨界值。臨界值係設定在不同光強度值下的模擬期間中該樣本眨眼模式所記錄的可見光強度的峰間值之間。具有預程式化眨眼模式的能力同時追蹤時間內平均光值並調整臨界值對能夠在個人眨眼時偵測可能是關鍵的，而非當一個人不眨眼時及/或在特定區域中有光強度值的改變。
現在再次參照圖1，在進一步的替代例示性實施例中，該系統控制器114可接收來自包含眨眼偵測器、眼肌感 測器及一錶鏈控制之其中一者或多者的來源之輸入。藉由一般化，啟動及/或控制該系統控制器114的方法可能需要使用一或多種啟動方法對熟悉此技藝者可為顯而易知。例如，一電子或供電隱形眼鏡可針對個人使用者程式化，如程式化一鏡片以在執行不同動作時(例如，聚焦在遠的物體上或聚焦在近的物體)辨識個人的眨眼模式與個人的睫狀肌訊號。在一些例示性實施例中，使用一種以上的方法來啟動一電子隱形眼鏡，如眨眼偵測與睫狀肌訊號偵測，可使各方法在該隱形眼鏡啟動發生前能夠與另一方法互校。互校的優點可包含減少誤判為正，例如最小化無意觸發鏡片啟動的機率。在一例示性實施例中，該互校可涉及一投票方案(voting scheme)，其中在任何動作發生前要符合特定數目的條件。
該致動器112可包含根據接收的指令訊號來實施一特定動作之任何適合裝置。例如，若與如前述的經取樣光值比較下眨眼啟動模式相符，該系統控制器114可啟動該致動器112，如可變光電儀器或供電鏡片。該致動器112可包含一電裝置、一機械裝置、一磁性裝置或其任何組合。除了來自該電源110之電力外，該致動器112尚接收一來自該系統控制器114的訊號，並產生一些根據來自該系統控制器114之訊號的動作。例如，若該系統控制器114訊號係指示配戴者試圖聚焦於一近物上，該致動器112即可用來改變該電子眼用鏡片的折射焦度，例如，透過動態多液體的光學區。在一替代例示性實施例中，該系統控制器114可輸出一指示治療劑應傳遞至眼睛的訊號。在此例示性實施例中，該致動器112可包含一泵與儲存器，例如，一微機電系統(MEMS)泵。如上所述，本發明之供電鏡片可提供各種功能；因此，可用各種方式配置一或多個致動器以實施其功能性。
圖3說明根據本發明眨眼偵測演算法之例示性眨眼偵測系統的狀態轉變圖300。該系統開始於一閒置狀態302，等待賦能訊號bl_go被確立。當該賦能bl_go訊號確立時，例如，藉由在與該眨眼取樣速率相當的100毫秒速率脈衝bl_go的振盪器與控制電路，該狀態機接著轉變至一WAIT_ADC狀態304， 其中一ADC係賦能以將一接收的光值轉換為一數位值。該ADC確立一adc_done訊號以指示其操作完成，而該系統或狀態機轉變至一移位狀態306。在該移位狀態306中，該系統推動最近接收的ADC輸出值至一移位暫存器以容納眨眼樣本的歷史記錄。在一些例示性實施例中，該ADC輸出值首先與臨界值比較以提供一單位元(1或0)予該樣本值，用以最小化儲存需求。該系統或狀態機接著轉變至一比較狀態308，其中該樣本歷史記錄移位暫存器中的值係與上述眨眼序列模板及遮罩的其中一者或多者比較。若偵測到一符合，則可確立一或多個輸出訊號，例如用以雙態觸變該鏡片驅動器之狀態者(bl_cp_toggle)，或其他任何由該供電眼用鏡片所執行的功能。該系統或狀態機接著轉變至該完成狀態310且確立bl_done訊號以指示其操作完成。
圖4說明一例示性光感測器或光偵測器訊號路徑pd_rx_top，其可用於偵測並取樣接收的光值。該訊號路徑pd_rx_top可包含一光二極體402、一跨阻抗放大器404、一自動增益與低通過濾階段406(AGC/LPF)及一ADC 408。該adc_vref訊號係由該電源110(見圖1)輸入至該ADC 408，或另外其可由該類比數位轉換器408內部的專用電路提供。來自該ADC 408的輸出(adc_data)，係傳送至該數位訊號處理及系統控制器區塊108/114(見圖1)雖然在圖1中繪示為個別區塊108與114，為了說明方便起見，該數位訊號處理及系統控制器係較佳為於單一區塊410上實施。該賦能訊號(adc_en)、該開始訊號(adc_start)及該重設訊號(adc_rst_n)係接收自該數位訊號處理及系統控制器410，而該完成訊號(adc_complete)係傳送至該數位訊號處理及系統控制器。該時鐘訊號(adc_clk)可接收自該訊號路徑(pd_rx_top)外部的時鐘來源，或接收自該數位訊號處理及系統控制器410。重要的是要注意，該adc_clk訊號及該系統時鐘可於不同頻率下運作。亦重要的是要注意，多種不同的ADC可根據本發明使用，本發明可具有不同的介面及控制訊號，但其執行提供該光感測器訊號路徑之類比部份輸出之經取樣數位表示的相似功能。該光偵 測賦能(pd_en)及該光偵測增益(pd_gain)係接收自該數位訊號處理及系統控制器410。
圖5說明數位調節邏輯500之區塊圖，該數位調節邏輯可用以將該接收的ADC訊號值(adc_data)降低為一單位元值(pd_data)。該數位調節邏輯500可包含一數位暫存器502以自該光偵測訊號路徑pd_rx_top接收該資料(adc_data)，以提供一持有值在該adc_data_held訊號上。當該adc_complete訊號確立時，該數位暫存器502係配置以接受一新的值於該adc_data訊號上，而另外當接收該adc_complete訊號時持有該最後接受的值。以此方式，一旦閂鎖該資料以降低系統電流消耗，該系統可截斷該光偵測訊息路徑。接著可平均該持有資料值(例如，藉由一積丟(integrate-and-dump)平均法或其他實施於數位邏輯的平均方法)於該臨界值產生電路504中產生一或多個臨界值於該訊號pd_th上。該持有資料值可接著透過比較器506與一或多個臨界值比較以產生一位元資料值於該訊號pd_data上。將可理解的是，該比較操作可使用滯後作用或與一或多個臨界值比較以最小化該輸出訊號pd_data上的雜訊。該數位調節邏輯可進一步包含一增益調整區塊pd_gain_adj 508，以根據該計算的臨界值及/或根據該持有資料值透過該訊號pd_gain(說明於圖4中)，以設定該光偵測訊號路徑中之該自動增益與低通過濾階段406的增益。重要的是要注意在此例示性實施例中，在整個眨眼偵測的動態範圍中六位元字即提供足夠的解析度，而最小化複雜度。
在一例示性實施例中，該臨界值產生電路504包含一波峰偵測器、一波谷偵測器及一臨界值計算電路。在此例示性實施例中，該臨界值與增益控制值可如下產生。該波峰偵測器與該波谷偵測器係配置以接收訊號adc_data_held上的持有值。該波峰偵測器係進一步配置以提供一輸出值(pd_pk)，其快速追蹤該adc_data_held值的增加，並且若該adc_data_held值下降則緩慢衰變。該操作係類似於經典二極體封包檢測器，如電領域中所習知者。該波谷偵測器係進一步配置以提供一輸出值 pd_vl，其快速追蹤該adc_data_held值的下降，並且若該adc_data_held值增加則緩慢衰變至更高的值。該波谷偵測器的操作亦類似於二極體封包檢測器，具有連接至一正電力供應電壓的放電電阻器。該臨界值計算電路係配置以接收該pd_pl與pd_vl值，且進一步配置以根據該pd_pk與pd_vl值的平均來計算一中點臨界值。該臨界值產生電路504根據該中點臨界值pd_th_mid來提供該臨界值pd_th。
該臨界值產生電路504可進一步適於更新該pd_pk與pd_vl水平的值以回應該pd_gain值的改變。若該pd_gain值增加一階層，則該pd_pk與pd_vl值以與該光偵測訊號路徑中預期之增益增加相等的係數而增加。若該pd_gain值下降一階層，則該pd_pk與pd_vl值以與該光偵測訊號路徑中預期之增益下降相等的係數而下降。以此方式，該波峰偵測器與波谷偵測器的狀態(如同分別持有於該pd_pk與pd_vl值者)，且該臨界值pd_th(如計算自該pd_pk與pd_vl值)係經更新以符合訊號路徑增益的改變，因而避免僅由該光偵測訊號路徑增益的中之有意改變所造成的不連續性或其他狀態或值的改變。
在該臨界值產生電路504的進一步例示性實施例中，該臨界值計算電路可進一步配置以根據該pd_pk值的比例或百分比計算一臨界值pd_th_pk。在一較佳的例示性實施例中，該pd_th_pk可有利地配置為該pd_pk值的八分之七，計算可由相關領域習知的一簡單右位移三位元與減法而實施。該臨界值計算電路可選擇該臨界值pd_th比pd th_mid與pd_th_pk更低。以此方式，該pd_th值將永遠不會等於該pd_pk值，即使在光長期間持續入射於該光二極體上後，此可能造成該pd_pk與pd_vl值相等。應當理解該pd_th_pk值確保長間隔後眨眼的偵測。該臨界值產生電路的行為進一步說明於圖9，如後續所討論。
圖6說明數位偵測邏輯600之區塊圖，其可用於實施根據本發明之一實施例之例示性數位眨眼偵測演算法。該數位偵測邏輯600可包含一移位暫存器602，其適於接收來自該 光偵測訊號路徑pd_rx_top(圖4)或來自該數位調節邏輯(圖5)的資料，如此處對於該訊號pd_data(其具有一個位元值)所說明者。該移位暫存器602在此以24位元暫存器持有該接收樣本值的歷史記錄。該數位偵測邏輯600進一步包含一比較區塊604，其適於接收該樣本歷史記錄以及一或多個眨眼模板bl_tpl與眨眼遮罩bl_mask，並配置以指示該一或多個模板與遮罩於可被持有供後續使用的一或多個輸出訊號上之符合。該比較區塊604之輸出係經一D正反器606閂鎖。該數位偵測邏輯600可進一步包含一計數器608或其他邏輯，以抑制可能對於相同樣本歷史記錄(設定在小移位下)進行連續比較(由於遮蔽操作)。在一較佳例示性實施例中，在發現正符合後會清除或重設該樣本歷史記錄，因此在能夠鑑定一後續符合之前需要一要取樣之完整、全新的符合眨眼序列。該數位偵測邏輯600仍可進一步包含一狀態機或相似的控制電路系統以提供該控制訊號至該光偵測訊號路徑與該ADC。在一些例示性實施例中，該控制訊號可藉由一與該數位偵測邏輯600分離的控制狀態機產生。此控制狀態機可為該數位訊號處理與系統控制器410的一部分。
圖7說明該控制訊號之時序圖，該控制訊號係由一眨眼偵測子系統提供至一用於光偵測訊號路徑中的ADC 408(圖4)。該賦能及時鐘訊號adc_en、adc_rst_n及adc_clk係在樣本序列開始時啟動並持續直到該類比數位轉換程序完成。在一例示性實施例中，當提供一脈衝於該adc_start訊號上時，即啟動該ADC轉換程序。該ADC輸出值係持有於一adc_data訊號中，且該程序的完成係由一adc_complete訊號上之類比數位轉換器邏輯所指示。亦說明於圖7中者為該pd_gain訊號，其係用以設定該ADC前之放大器的增益。此訊號係顯示為在該暖機時間前被設定，以使該類比電路偏差及訊號位準在轉換前穩定。
圖8說明一數位系統控制器800，其包含一數位眨眼偵測子系統dig_blink 802。該數位眨眼偵測子系統dig_blink 802可由一主狀態機dig_master 804所控制，並且可適 於自該數位系統控制器800外部的時鐘產生器clkgen 806接收時鐘訊號。該數位眨眼偵測子系統dig_blink 802可適於提供控制訊號至上述光偵測子系統並自該光偵測子系統接收訊號。該數位眨眼偵測子系統dig_blink 802除狀態機之外可包含如上所述的數位調節邏輯及數位偵測邏輯，以控制眨眼偵測演算法中的操作序列。該數位眨眼偵測子系統dig_blink 802可適於自該主狀態機804接收一賦能訊號並提供一完畢或完成指示與一眨眼偵測指示返回該主狀態機804。
圖9提供波形(圖9A-9G)以說明該臨界值產生電路與自動增益控制的操作(圖5)。圖9A說明如可能由回應不同光值的光二極體所提供之光電流對時間之實例。在該圖的第一部份，該光值及生成的光電流與該圖的第二部份比較相對較低。在該圖的第一部份與第二部份兩者皆可看出雙重眨眼降低該光及光電流。注意眼瞼造成光的減弱可能不是百分之百(100%)，而是較低的值(隨對於入射該眼睛的光之波長的眼瞼穿透特性而變化)。圖9B說明該adc_data_held值，其係回應圖9A之光電流波形而擷取。為了簡明起見，該adc_data_held值係繪示為一連續類比訊號而非一系列不連續數位樣本。將可理解的是，這些數位樣本值將對應於圖9B中所繪示在相對應的樣本時間的值。在圖的上方及底部的虛線代表該adc_data與adc_data_held訊號的最大及最小值。介於該最小與最大值之間值的範圍亦稱為該adc_data訊號的動態範圍。如下方所討論，該光偵測訊號路徑增益與該圖的第二部份不同(較低)。一般而言，該adc_data_held值係直接與該光電流成比例，且該增益改變僅影響該配量或比例常數。圖9C說明由該臨界值產生電路回應該adc_data_held值所計算的該pd_pk、pd_vl及pd_th_mid值。圖9D說明回應該臨界值產生電路的一些例示性實施例中adc_data_held值所計算的該pd_pk、pd_vl及pd_th_pk值。注意該pd_th_pk值總是比例於該pd_pk值。圖9E說明該adc_data_held值與該pd_th_mid及pd_th_pk值。注意在該adc_data_held值係 相對恆定的長時間期間，當該pd_vl值衰變至相同水準時該pd_th_mid值變得等於該adc_data_held值。該pd_th_pk值一直維持有些低於該adc_data_held值。亦說明於圖9E中者為pd_th之選擇，其中該pd_th value係選擇為pd_th_pk與pd_th_mid中較低者。以此方式該臨界值一直設定在遠離pd_pk值一些，避免該光電流及adc_data_held上的雜訊造成pd_data上的錯誤轉變。圖9F說明藉由該adc_data_held值與該pd_th值的比較產生的該pd_data值。注意該pd_data訊號為二值的訊號，其在眨眼發生時為低。圖9G說明這些示範波形之tia_gain值對時間的變化。當該pd_th開始超過圖9E中agc_pk_th所示的高臨界值時，則tia_gain之值係設定較低。應當理解，當pd_th開始低於一低臨界值時，相似的行為會發生以提高tia_gain。再次參見圖9A到9E各圖之第二部份，較低的tia_gain的效果是清楚的。特別注意該adc_data_held值係維持在靠近該adc_data及adc_data_held訊號之動態範圍的中央。此外，重要的是要注意，該pd_pk與pd_vl值係根據如上所述的該增益改變而更新，使得純粹由於該光偵測訊號路徑增益的改變所造成之該波峰與波谷偵測器狀態與其值的不連續得以避免。
圖10說明一積體電路晶片1000上的例示性光阻擋及光通過特徵。該積體電路晶片1000包含一光通過區1002、一光阻擋區1004、焊墊1006、鈍化開口1008及光阻擋層開口1010。該光通過區1002係位於該光感測器之上(未繪出)，例如實施於該半導體製程中的光二極體陣列。在一較佳例示性實施例中，該光通過區1002允許儘可能多的光到達該光感測器因而最大化靈敏度。此可經由移除多晶矽、金屬、氧化物、氮化物、聚醯亞胺及其他光接收器上的層而完成，如用於製造的半導體製程中或後處理中所允許的。該光通過區1002亦可接受其他特殊處理以最佳化光偵測，例如抗反射塗層、濾器及/或擴散器。該光阻擋區1004可覆蓋該晶片上其他不需光曝照的電路系統。其他電路系統的性能可能會因光電流而劣化，例如用於併入隱形眼鏡 所需的超低電流電路中的移位偏壓與振盪器頻率，如上所述。該光阻擋區1004優先以一薄、不透明的反射材料所製成，例如已用於半導體晶圓加工及後加工的鋁或銅。若以金屬實施，形成該光阻擋區1004的材料必須與下方的電路以及焊墊1006絕緣以避免短路的狀況。此絕緣可由已出現於晶片上作為一般晶片鈍化之一部分的鈍化來提供，例如氧化物、氮化物及/或聚醯亞胺，或者搭配在後加工期間所加入之其他介電質來提供。遮罩會容許光阻擋層開口1010，而使導電光阻擋金屬不會與晶片上的焊墊重疊。該光阻擋區1004係以額外的介電質或鈍化覆蓋，以在晶片貼附期間保護晶片並避免短路。此最終鈍化具有鈍化開口1008以允許連接至該焊墊1006。
圖11說明一依據本實施例(發明)之具有一電子插入件的例示性隱形眼鏡，該電子插入件包含一眨眼偵測系統。該隱形眼鏡1100包含一軟塑料部分1102，其包含一電子插入件1104。此插入件1104包含一鏡片1106，其係由電子設備啟動，例如(取決於啟動)聚焦近處或遠處。積體電路1108安裝於該插入件1104上並連接至電池1110、鏡片1106及其他該系統必須的組件。該積體電路1108包含一光感測器1112及相關的光偵測器訊號路徑電路。該光感測器1112經該透鏡面向外並遠離眼睛，且因此能夠接收環境光。該光感測器1112可實施於該積體電路1108(如圖所示)上，例如作為一單一光二極體或光二極體的陣列。該光感測器1112亦可實施作為一分離的裝置，其安裝於該插入件1104上並與配線跡線1114連接。當眼瞼閉上時，包含光偵測器1112的鏡片插入件1104被覆蓋，因而降低入射於該光偵測器1112上的光值。該光偵測器1112能夠測量環境光以測定該使用者是否眨眼。
該眨眼偵測演算法的另外實施例可容許該眨眼序列的持續時間及間隔有更多變異，例如藉由根據第一眨眼測得的終止時間計時第二眨眼而非使用一固定的模板或擴大該遮罩「不關心」(dont't care)期間(0值)。
應當理解該眨眼偵測演算法可實施於數位邏輯中或於微控制器上運行的軟體中。該演算法邏輯或微控制器可實施於單一特定應用積體電路(ASIC)中，並且搭配光偵測訊號路徑電路系統與一系統控制器，或其可分配跨越多於一個積體電路。
重要的是要注意本發明的眨眼偵測系統具有較視力診斷、視力矯正和視力增強更廣泛的用途。該些更廣泛的用途包含使用眨眼偵測以控制針對具有肢體障礙個人的廣泛各式功能性。該眨眼偵測可於眼睛上或眼睛外設定。
在新生兒中，其眼睛的晶狀體在某種程度上為柔軟且易彎曲，使其極具撓性且能夠進行大幅度的調節或聚焦。隨著年齡增長，其晶狀體逐漸變得更為堅硬，因此眼睛比較無法進行調節或者彎曲天然晶狀體以聚焦在相對接近觀察者的物體上。此種狀況即所知的老花眼。
正焦度鏡片可用來回復晶狀體所喪失的聚焦力。正焦度鏡片可採取老花眼鏡、雙焦點鏡片或三焦點鏡片的形式。當一個人不需要遠距離的屈光矯正時使用老花眼鏡即可。然而，在透過老花眼鏡觀看時，遠物將會模糊不清。如果一個人已因為近視、遠視與/或散光而配戴眼鏡時，則此正焦度將會以雙焦點或三焦點鏡片的形式加至現有眼鏡上。亦可配戴隱形眼鏡來處理老花眼。在此類鏡片的其中一種類型中，遠距離與近距離視覺區係環繞該鏡片之幾何中心以同心的方式排列。穿過該鏡片光學區之光係集中並聚焦在眼睛中的超過一點處。這些鏡片通常以同時視覺(simultaneous vision)模式來使用。在同時視覺中，鏡片光學區同時有聚焦於遠距離及近距離的部分，從而同時聚焦來自兩種物體距離的光。由於影像品質及影像對比可能會下降，此為不適宜者。
在另一類隱形眼鏡中；亦即分段式鏡片，其近距離與遠距離視覺區相對於鏡片之幾何中心並非同心。分段式鏡片的配戴者能夠利用鏡片的近距離視覺區，因為鏡片建構的方式使其能夠轉換遠近，或者相對於配戴者眼睛的瞳孔垂直移動。當 配戴此鏡片的人改變為向下注視(例如閱讀)時，此能轉換遠近的鏡片會垂直移動。此會將近距離視覺區定位於配戴者注視的中心。實質上所有通過光學區的光會根據注視而聚焦在眼睛中的單一點。
一電子或供電眼用鏡片，或更特定為一電子或供電隱形眼鏡可如上所說明者，執行許多功能，包括致動一可變焦度光學件。因此，如果一供電眼用鏡片包含一可變焦度光學件，配戴該鏡片的人會能夠提高其增加焦度(add power)以觀看近距離物體，或者減少其增加焦度以觀看遠距離物體。換言之，一供電隱形眼鏡會為老花眼的人帶來顯著的好處。對於該可變焦度光學件的控制可用多種方式達成。依據本發明，一發射器偵測器對感測器可結合至該隱形眼鏡中以自動控制該可變焦度光學件。發射器偵測器對感測器為單純只以一特定方向發射來自一發射器電路之訊號的裝置，該訊號會自該訊號路徑中的物體彈回並且由一偵測器電路擷取。顯然地，如果該訊號路徑中沒有物體，將不會有可擷取的反射訊號。透過知曉所傳送的能源及發射至偵測的經過時間，即可測定該發射器偵測器對感測器至該物體間的距離。此資訊可為傳送至該供電隱形眼鏡之一系統控制器的輸入，該控制器會命令一致動器依此來調整該可變焦度光學件。
一紅外線發射器偵測器對感測器對於基本物體或障礙偵測可為有利者，並且容易實施。本發明採取此基本電路並且實施此基本電路以結合至一隱形眼鏡中。依據另一例示性實施例，本說明書中所提出之供電眼用鏡片可包含一發射器偵測器對感測器以控制一可變焦度光學件。同樣重要的是要注意所感測到的資料(補充或替代使用)可單純僅用作為收集過程的一部分而非一觸發事件。或者，可單純只是收集、記錄所感測到的資料並將其用於治療醫療狀況。換言之，使用此一感測器的裝置可能不會以使用者可見的方式來改變狀態；而是該裝置可單純記錄資料。例如，此一感測器可用於測定使用者一整天是否有適當的虹膜反應，或是否存在有問題的醫療狀況。
現請參照圖12，所說明者為一位於一眼睛1201上之例示性電子或供電隱形眼鏡1200。該例示性電子隱形眼鏡1200包含一控制器或控制系統1202、一發射器1204與一偵測器1206。該調節計1202會啟動該發射器1204以傳送出一脈衝，例如超音波或紅外線輻射。該脈衝可自一近物反射而指示需要近焦，或者可傳播且未反射，從而指示需要遠距離視覺。該反射係由該偵測器1206偵測並由該控制器1202處理。在超音波發射的情況中，該反射時間可用來計算該發射器1204至該物體之距離。關於紅外線發射，存在反射可指示有一近物，類似用於給紙巾器及給潔手液器中的近接感測器，或者可使用三角測量法來測定距離。偵測到的反射為低強度、經過長時間才接收到反射並且/或者沒有超過環境狀況的反射，皆可能表示為一遠物，或者更一般而言為沒有極近物或近物。取決於所計算得到之眼睛1201至受觀察物體的距離，該控制器1202會執行一特定功能，例如在偵測到一近物時將一可變焦或可變焦度光學鏡片啟動為近焦狀態。重要的是請留意，該脈衝可包含任何合適訊號，並且可特別設計為超過環境照明而可偵測者，藉以提高該發射器偵測器系統之靈敏度。此外，任何合適裝置可作為該控制系統1202使用。例如，該控制系統1202可包含一微控制器及相關聯之記憶體。該控制系統1202可以硬體、軟體或上述者之組合的方式實施。
該發射器1204偵測器1206對之尺寸及電力消耗對於在一眼用裝置中之使用極為重要，例如一隱形眼鏡或人工水晶體。如圖12中所繪示者(未依比例)，電子裝置在一隱形眼鏡上可用之總面積可能僅有幾平方毫米，並且其裝置厚度的數量級為數十或數百微米。裝置上電池的現有容量或所擷取的能量可能受限為奈安培(nanoamp)或微安培。因而將該發射器1204選擇為具有適當尺寸者，例如切割為150×150微米或更小尺寸的LED晶片。切割可能需要使用精密刀片、雷射、水刀或光蝕刻以達到所需的小晶片尺寸。可透過LED附接與/或晶片堆疊產業中常見的技術，將該發射器晶片直接固晶至基板。該發射器1204 之電流消耗可藉由使用有效率的發射器來降低，以維持足夠的光子輸出功率同時最小化電輸入電流。目前消耗亦可藉由使用相關技術領域中所習知的脈衝及數位訊號處理技術來降低，例如將脈衝設計為具有適當長度及振幅模式以最大化偵測靈敏度，同時降低電流或電力消耗。該偵測器1206之尺寸及電流消耗亦極為重要。可使用用於該發射器1204之類似技術。該偵測器1206可實現為一半導體光二極體或光電晶體，作為一獨立晶片或與其他電路整合皆可。抗反射塗層、多層偵測器及其他技術可用來提高該偵測器1206的靈敏度。該偵測器1206可用一濾波器覆蓋。其可為經施加偏壓(biased)。其可連接至一放大器及相關聯之訊號調節電路系統。該偵測器1206與/或蒐集電路系統之偏壓施加可以對應於該偵測器1206之速率的速率來脈衝化以降低系統電流消耗。任何合適電路系統可用來實施該發射器1204與該偵測器1206，只要其可配置用於一隱形眼鏡環境並且符合電力消耗要求。
圖13圖解說明由該發射器1204偵測器1206對所偵測到之反射與該可變焦度光學件之焦距間的相關性。在一遠焦狀態1300中，該物體係遠離眼睛。在一紅外線發射器之情況中，如果一近物不存在，發射自眼睛且由眼睛偵測到之一訊號的反射振幅1302可為低、不存在或完全包含背景雜訊。在一超音波發射的情況中，眼睛所偵測到的訊號可為一非常低之振幅，或明顯較所發射之訊號延遲。反之，當對於一近物之近焦1304為所欲者時，反射振幅可為高者1306並且/或者所反射之訊號可顯示較所發射之訊號稍微延遲。因此，一依靠一發射器偵測器對之感測器系統可用來測定至一感興趣物體間之距離，因而決定所欲之焦距。
應為顯而易知的是，該發射器必須具有足夠振幅及波長，並且具有足夠窄的束寬，以自近物反射並且反射至該偵測器。束寬為重要者，所以例如當使用者希望近焦時即會偵測到一本手持書籍，而非遠處背景。該發射器偵測器對與注視方向 (例如瞳孔)間之實際耦合亦可為重要者。例如，如果整個隱形眼鏡1201會隨著眼睛移動，則該發射器偵測器可實際追蹤瞳孔。或者，得自該隱形眼鏡1201中之其他電路系統的注視位置資訊可用來指引該發射器偵測器對之操作，或者作為所接收訊號之調節的輸入。例如，注視資訊可用來啟動一發射器偵測器對陣列之特定位置中的發射器偵測器對，或者注視資訊可用來選擇在一包含許多偵測器之陣列中應取樣哪些偵測器。亦應為顯而易知的是，該偵測器應匹配該發射器，例如該偵測器具有一濾波器且該濾波器匹配該發射器波長之濾波器。此實務為該項技術領域中所常見者，用來避免偽環境訊號干擾所欲反射之偵測。
亦應為顯而易知的是，數位訊號處理系統(如非眼用鏡片技術領域中所常見者)可用來最佳化該發射器偵測器系統之效能。例如，特定輸出脈衝模式可經該偵測器處理以最大化該系統之訊號對雜訊比。
在一例示性實施例中，該電子設備與電子互連是在隱形眼鏡的外圍區而非在光學區。依據一替代例示性實施例，重要的是要注意該電子設備的位置不需限制於該隱形眼鏡的外圍區。本文所述的所有電子組件可利用薄膜技術及/或透明材料來製造。如果使用這些技術，只要這些電子組件與該光學件相容，其可放置於任何適當的位置。
人工水晶體或IOL為一植入眼睛中並取代水晶體的鏡片。其可用於有白內障的人或僅治療各種屈光不正。IOL一般包含一具有稱為觸覺介面(hepatics)之塑膠側支柱的小塑膠鏡片，以將該鏡片維持在眼睛囊袋中的位置。本文所述任何電子裝置及/或組件可以類似隱形眼鏡的方式結合至IOL中。
儘管相信所顯示與所描繪的是最實用且最佳的實施例，但對熟悉此項技術者來說，仍可輕易思及偏離所描述且所顯示的特定設計與方法，且以不脫離本發明的精神與範疇之方式加以運用。本發明並不被限制於特定構造所描繪與所說明的， 而是應該被構成以符合可落在所附申請專利範圍之範疇內易所有改良。
100‧‧‧隱形眼鏡
101‧‧‧環境光
102‧‧‧光感測器
103‧‧‧電流
104‧‧‧放大器
106‧‧‧ADC
108‧‧‧微處理器
110‧‧‧電源
112‧‧‧致動器
114‧‧‧系統控制器

Claims (13)

  1. 一種供電眼用鏡片，該供電眼用鏡片包含：一隱形眼鏡，其包含一光學區及一外圍區；以及一發射器偵測器對感測器系統，其結合至該隱形眼鏡之該外圍區中，該發射器偵測器對感測器系統包含一發射器、一偵測器、一控制器及至少一致動器，該發射器用於傳送出一訊號，該偵測器用於擷取該訊號之反射，該控制器係協同關聯至該配置用來測定該隱形眼鏡與一物體間之距離的發射器與偵測器，並且根據所測定之距離來輸出一控制訊號，該至少一致動器係配置用來接收該控制訊號並且實施一預定功能，該發射器包含具有達150×150微米尺寸的LED晶片，以及該偵測器包括一CMOS半導體。
  2. 如申請專利範圍第1項之供電眼用鏡片，其中該隱形眼鏡包含結合至該光學區中之一可變焦度光學件。
  3. 如申請專利範圍第2項之供電眼用鏡片，其中該致動器會反應所測定之距離來配置該可變焦度光學件以用於近距離或遠距離視覺。
  4. 如申請專利範圍第1項之供電眼用鏡片，其中該控制器包含一微控制器及相關聯之記憶體。
  5. 如申請專利範圍第1項之供電眼用鏡片，其進一步包含一電力供應器。
  6. 如申請專利範圍第5項之供電眼用鏡片，其中該電力供應器包含一電池。
  7. 一種供電眼用鏡片，該供電眼用鏡片包含：一隱形眼鏡；以及一發射器偵測器對感測器系統，其結合至該隱形眼鏡中，該發射器偵測器對感測器系統包含一發射器、一偵測器、一控制器及至少一致動器，該發射器用於傳送出一訊號，該偵測器用於擷取該訊號之反射，該控制器係協同關聯至該配置用來測定該隱形眼鏡與一物體間之距離的發射器與偵測器，並且根 據所測定之距離來輸出一控制訊號，該至少一致動器係配置用來接收該控制訊號並且實施一預定功能，該發射器包含具有達150×150微米尺寸的LED晶片，以及該偵測器包括一CMOS半導體光二極體。
  8. 如申請專利範圍第7項之供電眼用鏡片，其中該隱形眼鏡包含結合至光學區中之一可變焦度光學件。
  9. 如申請專利範圍第8項之供電眼用鏡片，其中該致動器會反應所測定之距離來配置該可變焦度光學件以用於近距離或遠距離視覺。
  10. 如申請專利範圍第7項之供電眼用鏡片，其中該控制器包含一微控制器及相關聯之記憶體。
  11. 如申請專利範圍第7項之供電眼用鏡片，其進一步包含一電力供應器。
  12. 如申請專利範圍第11項之供電眼用鏡片，其中該電力供應器包含一電池。
  13. 一種供電眼用鏡片，該供電眼用鏡片包含：一人工水晶體；以及一發射器偵測器對感測器系統，其結合至該人工水晶體中，該發射器偵測器對感測器系統包含一發射器、一偵測器、一控制器及至少一致動器，該發射器用於傳送出一訊號，該偵測器用於擷取該訊號之反射，該控制器係協同關聯至該配置用來測定該人工水晶體與一物體間之距離的發射器與偵測器，並且根據所測定之距離來輸出一控制訊號，該至少一致動器係配置用來接收該控制訊號並且實施一預定功能，該發射器包含具有達150×150微米尺寸的LED晶片，以及該偵測器包括一CMOS半導體光二極體。
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