TWI587021B - 具有瞳孔收縮感應器的電子眼科鏡片 - Google Patents

具有瞳孔收縮感應器的電子眼科鏡片 Download PDF

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Description

具有瞳孔收縮感應器的電子眼科鏡片
本發明係關於一種供電式或電子眼科鏡片，該眼科鏡片具有用於偵測瞳孔收縮(pupil convergence)的一感應器及相關硬體與軟體，並且更具體而言係關於一種供電式或電子眼科鏡片，其包含用於偵測瞳孔位置與收縮以變更該供電式或電子眼科鏡片之狀態的感應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，可將可 電動調焦的一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應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/充電之方法、互相連接該些元件、內部以及外部信號感測及/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、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被用來矯正諸如近視、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。
隱形眼鏡可被用來矯正近視、遠視、散光以及其他視力缺陷。隱形眼鏡亦可被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用品，可配戴作為矯正視力和/打扮裝飾或其他治療用。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矽氧烷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、感應器、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/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。可將電子及/供電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/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，內建於鏡片的感應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應器。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應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。
該些裝置的適當結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。
因為這些都是供電式鏡片，有鑑於眼科鏡片規模的電池技術，運作這些電子設備的該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，因為與供電式鏡片相關的功能之複雜性以及包含供電式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式眼科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科鏡片之系統來控制所有其他組件。
供電式或電子眼科鏡片可能必須考慮個人使用該供電式或電子眼科鏡片之特定、獨特的生理功能。更具體而言，供電式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。眨眼偵測亦可被用於提供特定功能，例如，眨眼可被用作一種控制供電式眼科鏡片一個或多個態樣的方式。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的量。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被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，這些目前使用的感應器不夠小及/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，數位化至一電腦的相機。電腦上運行的軟體可辨識視覺模式如眼睛的開與閉。該些系統可用於診斷目的或研究之眼用臨床設定。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式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/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，需要有一種根據感應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/控制一電子或供電式眼科鏡片的方式或方法。被使用的感應器必須製成合適規格並配置以用於隱形眼鏡。
或者，瞳孔收縮而非眨眼或者加上眨眼可用來控制一隱形眼鏡在特定環境中的功能性。當一個人聚焦於一近物上時(例如在閱讀時)，他/的瞳孔會收縮以將兩眼的注視處固定在相同位置。此現象是根據系統的幾何(即由兩眼及焦點區域所形成之三角形)，以及投向特定近物之注意力。此效應係用於眼鏡、立體鏡及相關儀器的設計中，以確保在注視近物時有清晰與舒適的視力。此效應亦可在臨 床環境中監測，例如藉由用相機觀察使用者的瞳孔位置並執行模式辨識功能來記錄瞳孔位置。瞳孔收縮亦可透過在眼鏡鏡片中所實施的類似攝影機與偵測系統來偵測。
因為瞳孔收縮與聚焦在近物之間有相關性，瞳孔收縮可用來觸發一電子眼科鏡片之動作，例如改變一可變光學件之焦度，以使具有老花眼的人能夠聚焦於近物上。
因此，需要有一種根據由一感應器所偵測的瞳孔收縮來偵測特定生理功能(如瞳孔收縮)及使用該些生理功能啟動及/控制一電子或供電式眼科鏡片之手段或方法。所用的感應器較佳為具有合適規格並且配置用來在一供電式或電子隱形眼鏡中使用。
依據本發明之具有瞳孔收縮感應器的電子眼科鏡片可解決與以上簡述之先前技術相關聯的限制。該感應器偵測瞳孔位置與收縮並作為用於改變一電子眼用裝置之狀態便利方法，例如改變一具老花眼之使用者的焦點。該感應器係整合至一隱形眼鏡而不需要體積龐大之外部觀測設備或眼鏡鏡片。該感應器系統具有必要的低電力消耗及小尺寸以在一隱形眼鏡中實施。該系統具有必要的訊號調節及取樣速率以進行愉悅、自然的使用。該系統具有必要的訊號調節及通訊方法以避免錯誤的正收縮偵測結果及錯誤的負收縮偵測結果。
依據一態樣，本發明係針對一供電式眼科鏡片。該供電式眼科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瞳孔位置與收縮偵測系統，該瞳孔位置與收縮偵測系統包括一感應器、一通訊裝置、一系統控制器與至少一致動器，該感應器係用來測定瞳孔位置，該通訊裝置係配置用來傳送與接收資料至/自至少一結合至一第二隱形眼鏡之一外圍區中的第二瞳孔位置與收縮偵測系統，該系統控制器係協同關聯至該感應器與該通訊裝置，並且配置用來根據來自該感應器與該第二瞳孔位置與收縮偵測系統之資訊來測定瞳孔位置與收縮並輸出一控制訊號，而該至少一致動器係配置用來接收該輸出控制訊號並實施一預定功能。
依據另一態樣，本發明係針對一供電式眼科鏡片。該供電式眼科鏡片包含一隱形眼鏡，以及一結合至該隱形眼鏡中的瞳孔位置與收縮偵測系統，該瞳孔位置與收縮偵測系統包括一感應器、一通訊裝置、一系統控制器與至少一致動器，該感應器係用來測定瞳孔位置，該通訊裝置係配置用來傳送與接收資料至/自至少一結合至一第二隱形眼鏡之一外圍區中的第二瞳孔位置與收縮偵測系統，該系統控制器係協同關聯至該感應器與該通訊裝置，並且配置用來根據來自該感應器與該第二瞳孔位置與收縮偵測系統之資訊來測定瞳孔位置與收縮並輸出一控制訊號，而該至少一致動器係配置用來接收該輸出控制訊號並實施一預定功能。
依據又一態樣，本發明係針對一供電式眼科鏡片。該供電式眼科鏡片包含一人工水晶體(intraocular lens)，以及一結合至該人工水晶體中的瞳孔位置與收縮偵測系統，該瞳孔位置與收縮偵測系統包括一感應器、一通訊裝置、一系統控制器與至少一致動器，該感應器係用來測定瞳孔位置，該通訊裝置係配置用來傳送與接收資料至/自至少一結合至一第二隱形眼鏡之一外圍區中的第二瞳孔位置與收縮偵測系統，該系統控制器係協同關聯至該感應器與該通訊裝置，並且配置用來根據來自該感應器與該第二瞳孔位置與收縮偵測系統之資訊來測定瞳孔位置與收縮並輸出一控制訊號，而該至少一致動器係配置用來接收該輸出控制訊號並實施一預定功能。
本發明涉及一種供電式或電子眼科鏡片，其結合一瞳孔位置與收縮偵測系統。在調節的過程中，當個人試著聚焦於一近距離物體上時，其晶狀體(crystalline lens)幾何會透過睫狀肌的動作而改變，以增加其外加焦度(add power)。在晶狀體調節的同時，兩種其他動作會發生：亦即，各眼(瞳孔)會朝鼻側稍微向內移動(收縮)，並且瞳孔會稍微縮小(縮瞳(miosis))。晶狀體中的變化(收縮與縮瞳)通常稱為調節性反射(accommodative reflex)。換言之，當一個人聚焦於一近物上時(例如在閱讀時)，他或她的瞳孔會收縮以將兩眼的注視處固定在相同位置。此現象是根據系統的幾何，其為由兩眼間之距離及各眼至該物體之距離所形成之三角形。因為瞳孔收縮與聚焦在近物之間有相關性，瞳孔收縮可用來觸發一電子眼科鏡片之動作，例如改變一可變光學件之焦度，以使具有老花眼的人能夠聚焦於近距離物體上。
本發明更一般地說關於一包含一電子系統的供電式隱形眼鏡，該電子系統執行任何數量的功能，包含在內含一可變焦光學儀器時致動該可變焦光學儀器。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、一或多個感應器、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。
供電式眼科鏡片的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。或者，供電式眼科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，該鏡片內建的感應器可偵測眨眼及/眨眼模式。根據眨眼的模式或序列，該供電式眼科鏡片可改變狀態，例如，為了聚焦近物或是遠物的折射率。或者或此外，瞳孔收縮可用來改變一供電式應用鏡片之狀態。
100‧‧‧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‧‧‧眼睛
1201‧‧‧線條
1202‧‧‧瞳孔
1204‧‧‧角度
1300‧‧‧眼睛
1301‧‧‧線條
1302‧‧‧瞳孔
1304‧‧‧角度
1400‧‧‧隱形眼鏡
1401‧‧‧通訊通道
1402‧‧‧瞳孔
1404‧‧‧瞳孔位置與收縮偵測系統
1406‧‧‧眼睛
1500‧‧‧瞳孔位置與收縮偵測系統
1501‧‧‧隱形眼鏡
1502‧‧‧感應器
1504‧‧‧訊號處理器
1506‧‧‧系統控制器
1508‧‧‧致動器
1510‧‧‧收發器
1512‧‧‧天線
1514‧‧‧電源
1600‧‧‧收縮
1602‧‧‧遠焦狀態
1604‧‧‧近焦狀態
1606‧‧‧遠焦狀態
1608‧‧‧臨界值
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為根據本發明供電式隱形眼鏡之例示性插入件(包含一眨眼偵測器)的圖示。
圖12A為人眼注視一遠物之前視圖示。
圖12B為圖12A人眼之上視圖示。
圖13A為人眼注視一近物之前視圖示。
圖13B為圖13A人眼之上視圖示。
圖14為兩種根據本發明之例示性瞳孔位置與收縮感應器的圖示，該感應器具有一用於同步兩眼間之操作的通訊通道。
圖15A為根據本發明之例示性瞳孔位置與收縮偵測系統的圖示，該系統係結合至一隱形眼鏡中。
圖15B為圖15A例示性瞳孔位置與收縮偵測系統之放大圖。
圖16為例示性瞳孔收縮及焦距間之相關性曲線圖的圖示。
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、感應器、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/供電式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。可將電子及/供電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/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，內建於鏡片的感應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應器。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 應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。
本發明之供電式或電子隱形眼鏡包含該些必要元件以矯正及/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式眼科鏡片或供電式隱形眼鏡中，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、一或多個感應器、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。
電子或供電式眼科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式鏡片無線通訊。或者，供電式眼科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，該鏡片內建的感應器可偵 測眨眼及/眨眼模式。根據眨眼的模式或序列，該供電式眼科鏡片可改變狀態，例如，為了聚焦近物或是遠物的折射焦度。
或者，供電式或電子眼科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，眼科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在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/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，這樣可容許使用者之眨眼序列時序有變異。
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/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(photodetector)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規 格。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可簡單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/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/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/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，如所屬技術領域中具通常知識者所習知者。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/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式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/避免偵測眨眼的錯誤，如考慮在不同地方及/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/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/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、眼肌感應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/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，一電子或供電式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式鏡片。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科鏡片的折射焦度，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，本發明之供電式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式眼科鏡片所執行的功能。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，任何數量的不同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/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，其可被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ADC408(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允許盡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/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/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。
根據本發明之另一例示性實施例，一供電式或電子眼科鏡片可結合一瞳孔位置與收縮偵測系統。在調節的過程中，當個人試著聚焦於一近距離物體上時，其晶狀體(crystalline lens)幾何會透過睫狀肌的動作而改變，以增加其外加焦度(add power)。在晶狀體調節的同時，兩種其他動作會發生：亦即，各眼(瞳孔)會朝鼻側稍微向內移動(收縮)，並且瞳孔會稍微縮小(縮瞳(miosis))。晶狀體中的變化(收縮與縮瞳)通常稱為調節性反射(accommodative reflex)。換言之，當一個人聚焦於一近物上時(例如在閱讀時)，他或她的瞳孔會收縮以將兩眼的注視處固定在相同位置。此現象是根據系統的幾何，其為由兩眼間之距離及各眼至該物體之距離所形成之三角形。更詳細之說明係提供於後。因為瞳孔收縮與聚焦在近物之間有相關性，瞳孔收縮可用來觸發一電子眼科鏡片之動作，例如改變一可變光學件之焦度，以使具有老花眼的人能夠聚焦於近距離物體上。同樣重要的是要注意，所感測的資料(補充或替代使用)可單純用來作為一收集程序的一部分而非一觸發事件。例如，所感測的資料可經收集、記錄及用於治療醫療狀況。換言之，亦應理解使用此一感應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，此一感應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。
圖12A與12B說明一個人之兩眼1200的不同視圖，該個人正注視一遠物，此需要聚焦在遠處(例如駕車時)而非聚焦在近處(例如閱讀書籍)。圖12A說明兩個眼睛1200之前視圖，而圖12B說明兩眼1200之上視圖。在注視一遠物時(未繪出)，兩個瞳孔1202係位於中央並一起追蹤。位於瞳孔1202與受觀察物體之間的線條1201係為平行，如兩個皆為九十(90)度之角度1204所示。此是由於任何人之兩眼1200間的距離遠小於兩眼1200至受觀察物體間之距離。當一個人追蹤一遠物之移動時，雖然兩眼1200會移動，但角度1204仍會非常接近九十(90)度，此亦 由於兩眼1200間之距離遠小於兩眼1200至受觀察物體間之距離。
圖13A與13B說明實質上相似於圖12A與12B中所說明者的一對眼睛1300，除了在此範例中受觀察物體(未繪出)係在附近或位於近處而非位於遠處。因為現在兩眼1300間之距離相對於兩眼1300至受觀察物體之距離係為可測量的，兩眼1300收縮以使受觀察物體保持在視界內。如所誇飾繪示者，兩個瞳孔1302會收縮並移動而使彼此更靠近。在瞳孔與受觀察物體間所拉出的線條1301不再平行，並且角度1304會小於九十(90)度。此現象可以透過下列方式輕易觀察到，即讓一對象先聚焦於其位於約兩(2)英呎距離處之手指，即使其手臂完全伸展。隨著該對象使其手指越來越近，其兩眼將朝向其鼻側收縮，從而變為「斜視眼」。
圖14說明一系統，可藉由該系統來感測關於圖12A、12B、13A與13B所述之收縮，並且在一對隱形眼鏡1400間進行通訊。兩個瞳孔1402係繪示為已收縮以觀看近物。結合於隱形眼鏡1400(位於眼睛1406上)內之瞳孔位置與收縮偵測系統1404會追蹤瞳孔1402位置及/隱形眼鏡1400位置，例如使用面向後方之光偵測器來觀測瞳孔1402，或者使用加速度計(accelerometer)來追蹤眼睛1406(從而瞳孔1402)之移動。該瞳孔位置與收縮偵測器系統1404可包含數種組件，從而形成更複雜之系統，例如一3軸加速度計、訊號調節電路系統、一控制器、記憶體、電 力供應器及一收發器，如後文所詳細說明者。兩個隱形眼鏡1400間之通訊通道1401會讓該瞳孔位置與收縮偵測系統1404在瞳孔位置上能夠同步。亦可用外部裝置來進行通訊，例如外戴式眼鏡或智慧型手機。兩個隱形眼鏡1400間之通訊對於偵測收縮相當重要。例如，如果無法同時得知兩個瞳孔1402的位置，即可能將右眼單純向左邊注視偵測為收縮，因為對於這兩種動作而言，瞳孔1402具有類似的移動。然而，如果偵測到右瞳孔向下向左移動，同時偵測到左眼瞳孔向下向右移動，即可將此解讀為收縮。如果眼睛朝預期的收縮方向移動，兩個隱形眼鏡1400間之通訊可採用絕對或相對位置的形式，或者單純只是一「懷疑收縮」訊號。在此情況中，如果一給定之隱形眼鏡偵測到收縮本身並且自相鄰隱形眼鏡接收到一收縮指示，其可能分階段啟動一改變，例如將配備有一可變焦距或可變焦度光學件之隱形眼鏡切換為近距離狀態以支援閱讀。其他可用於判定要調節(聚焦於近處)之意圖的資訊例如眼瞼位置與睫狀肌活動，可經過該通訊通道1401傳送(若隱形眼鏡係如此配備)。亦應理解的是，經過該通道1401之通訊可包含其他由各鏡片1406所感測、偵測或測定且用於各式用途之訊號，包括視力矯正、視力強化、娛樂及新奇。
根據一個例示性實施例，一數位通訊系統包含多個元件，這些元件在實施時可採用許多形式。該數位通訊系統通常包含一資訊來源、一來源編碼器、一通道編碼器、 一數位調變器、一通道、一數位解調器、一通道解碼器及一來源解碼器。
該資訊來源可包含任何產生另一裝置或系統所需之資訊及/資料的裝置。該來源可為類比或數位。如果該來源為類比，其輸出係轉換為一包含一二進制串之數位訊號。該來源編碼器實施一將來自該來源之訊號有效率轉換為一二進制數位之序列的程序。來自該來源編碼器之資訊接著傳遞至一通道編碼器中，在該編碼器中會將冗餘導入該二進制資訊序列。此冗餘可用在該接收器以解決在該通道上所遭遇之雜訊、干擾與類似者的效應。該二進制序列接著傳遞至一數位調變器，該數位調變器依次將該序列轉換為類比電訊號以經過該通道傳送。基本上，該數位調變器會將該二進制序列對映為訊號波形或符號。各符號可代表一或多個位元之值。該數位調變器可調變一高頻載波訊號之相位、頻率或振幅，使其適用於經過或透過該通道傳送。該通道為該些波形行經之媒介，並且該通道可能引進該些波形之干擾或其他訛誤(corruption)。在無線通訊系統的情況中，該通道為大氣。該數位解調器會接收經該通道訛誤之波形、處理該波形並將該波形降轉為一數字序列，此數字序列儘可能幾乎代表所傳送之資料符號。該通道解碼器會藉由該通道編碼器所用之代碼知識來重新建構該原始資訊序列，以及所接收資料中之冗餘。該來源解碼器會藉由自該編碼演算法之知識來解碼該序列，其中該來源解碼器之輸出係代表該來源資訊訊號。
重要的是要注意，上述元件可在硬體中、在軟體中或在硬體與軟體之組合中實現。此外，該通訊通道可包含任何通道類型，包括有線及無線。在無線類型的情況中，該通道可配置用於高頻電磁訊號、低頻電磁訊號、可見光訊號及紅外光訊號。
圖15A與B為一例示性瞳孔位置與收縮偵測系統1500之圖示，該系統係用於控制一供電式眼科鏡片之一或多種態樣。感應器1502會偵測瞳孔(或更一般而言即眼睛)之移動及/位置。該感應器1502可實施為一位於一隱形眼鏡1501上之多軸加速度計。由於該隱形眼鏡1501係附著於眼睛上並通常會隨眼睛移動，該隱形眼鏡1501上加速度計可追蹤眼睛移動。該感應器1502亦可實施為一面向後方之相機或感應器，其會偵測影像、圖案或對比之變化以追蹤眼睛移動。或者，該感應器1502可包含神經肌肉感應器(neuromuscular sensor)以偵測神經及/肌肉活動，此活動會移動在眼窩中之眼睛。有六條肌肉接附至各眼球，其提供各眼睛有一完整移動範圍，並且各條肌肉具有自有的獨特動作或多種動作。這六條肌肉係由三對腦神經之其中一者所支配。重要的是要留意，任何合適裝置皆可作為該感應器1502使用，並且可使用一個以上之單獨感應器1502。該感應器1502之輸出係由訊號處理器1504所蒐集、取樣及調節。該訊號處理器1504可包括多種裝置，包括一放大器、一跨阻抗放大器、一類比數位轉換器、一濾波器、一數位訊號處理器及相關電路系統，以接收來自該感應器 1502之資料並產生合適格式之輸出以用於該系統1500之其餘組件。該數位訊號處理器1504可利用類比電路系統、數位電路系統、軟體及/較佳為其組合來實施。應理解的是，該訊號處理器1504係使用相關技術領域中習知的方法與該感應器1502共同設計，例如用於蒐集及調節一加速度計之電路系統係不同於用於一肌肉活動感應器或光學瞳孔追蹤器之電路系統。訊號處理器1504之優選輸出為一經取樣之數位串流，並且可包括絕對或相對位置、移動、偵測到與收縮一致之注視或其他資料。系統控制器1506會接收來自該訊號處理器1504之輸入，並且使用此資訊搭配其他輸入來控制該電子隱形眼鏡1501。例如，該系統控制器1506可輸出一訊號至一致動器1508，該致動器會控制該隱形眼鏡1501中之一可變焦度光學件。如果該隱形眼鏡1501例如目前處於一遠焦狀態並且該感應器1502偵測收縮，則該系統控制器1506可命令該致動器1508來改變為一近焦狀態。系統控制器1506可同時觸發感應器1502與該訊號處理器1504之活動，同時接收來自它們的輸出。一收發器1510會透過天線1502接收及/傳送通訊。此通訊可來自一相鄰隱形眼鏡、外戴式眼鏡或其他裝置。該收發器1510可配置用於與該系統控制器1506進行雙向通訊。收發器1510可含有收發器中常見之濾波、放大、偵測及處理電路系統。該收發器1510之具體細節係經定製以用於一電子或供電式隱形眼鏡，例如該通訊可以合適之頻率、振幅及格式進行以在兩眼間進行可靠之通訊、具有低電力消耗並且 符合法規要求。收發器1510與天線1512可在射頻(RF)頻帶中作業，例如2.4GHz，或者可使用光以進行通訊。接收自收發器1510之資訊係輸入至該系統控制器1506，例如來自一相鄰鏡片且指示收縮或發散(divergence)之資訊。系統控制器1506使用來自該訊號處理器1504及/收發器1510之輸入資料來判定是否需要改變系統狀態。該系統控制器1506亦可傳送資料至該收發器1510，該收發器接著透過天線1512傳送資料經過該通結連結。該系統控制器1506可實施為一狀態機，該狀態機係位於一場可程式化閘陣列(field-programmable gate array)、位於一微控制器中或位於任何其他合適裝置中。用於該系統1500及本說明書中所述之組件的電力係由一電源1514提供，該電源可包括一電池、能量擷取器或如該項技術領域中具有通常知識者所習知的類似裝置。該電源1514亦可用來供應電力至該隱形眼鏡1501上之其他裝置。
本發明之例示性瞳孔位置與收縮偵測系統1500係經結合及/以其他方式封裝，並且與該含鹽隱形眼鏡1501環境絕緣。
圖16說明收縮1600與焦距狀態1602、1604及1606間之一例示性、簡化相關性，如眼科文獻中所常見記載者。當處於遠焦狀態1602與1606中時，如關於圖12A與12B中所述者，收縮程度為低。當處於近焦狀態1604中時，如關於圖13A與13B中所述者，收縮程度為高。一臨界值1608可在該系統控制器(圖15之元件1506)中設定以用來改 變該電子眼科鏡片之狀態，例如在正向超過該臨界值時聚焦一可變光學件且使用外加焦度，在負向超過該臨界值時聚焦該可變光學件並且不使用外加焦度。
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/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。
該蒐集取樣訊號處理區塊與系統控制器(分別為圖15B中之1504與1506)之活動取決於可得之感應器輸入、環境及使用者反應。該些輸入、反應及判定臨界值可由眼科研究、預程式化、訓練及適應性/習演算法中之其中一者或多者來決定。例如，瞳孔收縮在文獻中已有充份記載，可適用於廣泛的使用者族群並且可預程式化至系統控制器中。然而，一個人對於一般預期反應之偏差可記錄於訓練期間或為適應性/習演算法的一部分，其可持續改善電子眼用裝置操作的反應。在一例示性實施例中，該使用者可在需要聚焦於近處時，藉由啟動一與該裝置進行通訊之手持錶鏈來訓練該裝置。該裝置中的學習演算法可接著參引記憶體中在該錶鏈訊號之前或之後的感應器輸入，以改善內部判定演算法。此訓練期間可持續一天，之後該裝置可僅由感應器輸入自主操作而不需錶鏈。
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/組件可用類似於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，但對所屬技術領域中具有通常知識者來說，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‧‧‧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 (11)

  1. 一種供電式眼科鏡片，該供電式眼科鏡片包含：一隱形眼鏡，其包括一光學區及一外圍區；以及一瞳孔位置與收縮偵測系統係結合至該隱形眼鏡之外圍區中的，該瞳孔位置與收縮偵測系統包括一感應器、一通訊裝置、一系統控制器與至少一致動器，該感應器係用來測定瞳孔位置，該通訊裝置係配置用來傳送與接收資料至/自至少一結合至一第二隱形眼鏡之一外圍區中的第二瞳孔位置與收縮偵測系統，該系統控制器係協同關聯至該感應器與該通訊裝置，並且配置用來根據來自該感應器與該第二瞳孔位置與收縮偵測系統之資訊來測定瞳孔位置與收縮並輸出一控制訊號，而該至少一致動器係配置用來接收該輸出控制訊號並實施一預定功能；其中該感應器包含至少一經定位以擷取眼睛影像的光偵測器(photodetector)；以及其中該至少一光偵測器包含一面向後方之相機，該相機係配置用來偵測影像、圖案或對比之變化以追蹤眼睛移動。
  2. 如申請專利範圍第1項之供電式眼科鏡片，其中該瞳孔位置與收縮偵測系統進一步包含一訊號處理器，該訊號處理器係配置用來接收來自該感應器之訊號、執行數位訊號處理以及輸出一或多個至該系統控制器。
  3. 如申請專利範圍第2項之供電式眼科鏡片，其中訊號處理器包含相關聯之記憶體。
  4. 如申請專利範圍第1項之供電式眼科鏡片，其中該瞳孔位置與收縮偵測系統進一步包含一電力供應器。
  5. 一種供電式眼科鏡片，該供電式眼科鏡片包含：一隱形眼鏡；以及一結合至該隱形眼鏡中的瞳孔位置與收縮偵測系統，該瞳孔位置與收縮偵測系統包括一感應器、一通訊裝置、一系統控制器與至少一致動器，該感應器係用來測定瞳孔位置，該通訊裝置係配置用來傳送與接收資料至/自至少一結合至一第二隱形眼鏡之一外圍區中的第二瞳孔位置與收縮偵測系統，該系統控制器係協同關聯至該感應器與該通訊裝置，並且配置用來根據來自該感應器與該第二瞳孔位置與收縮偵測系統之資訊來測定瞳孔位置與收縮並輸出一控制訊號，而該至少一致動器係配置用來接收該輸出控制訊號並實施一預定功能；其中該感應器包含至少一經定位以擷取眼睛影像的光偵測器；以及其中該至少一光偵測器包含一面向後方之相機，該相機係配置用來偵測影像、圖案或對比之變化以追蹤眼睛移動。
  6. 如申請專利範圍第5項之供電式眼科鏡片，其中該瞳孔位置與收縮偵測系統進一步包含一訊號處理器，該訊號處理器係配置用來接收來自該感應器之訊號、執行數位訊號處理以及輸出一或多個至該系統控制器。
  7. 如申請專利範圍第6項之供電式眼科鏡片，其中該訊號處理器包含相關聯之記憶體。
  8. 如申請專利範圍第5項之供電式眼科鏡片，其中該瞳孔位置與收縮偵測系統進一步包含一電力供應器。
  9. 一種供電式眼科鏡片，該供電式眼科鏡片包含：一人工水晶體；以及一結合至該人工水晶體中的瞳孔位置與收縮偵測系統，該瞳孔位置與收縮偵測系統包括一感應器、一通訊裝置、一系統控制器與至少一致動器，該感應器係用來測定瞳孔位置，該通訊裝置係配置用來傳送與接收資料至/自至少一結合至一第二隱形眼鏡之一外圍區中的第二瞳孔位置與收縮偵測系統，該系統控制器係協同關聯至該感應器與該通訊裝置，並且配置用來根據來自該感應器與該第二瞳孔位置與收縮偵測系統之資訊來測定瞳孔位置與收縮並輸出一控制訊號，而該至少一致動器係配置用來接收該輸出控制訊號並實施一預定功能；其中該感應器包含至少一經定位以擷取眼睛影像的光偵測器；以及其中該至少一光偵測器包含一面向後方之相機，該相機係配置用來偵測影像、圖案或對比之變化以追蹤眼睛移動。
  10. 一種供電式眼科鏡片，該供電式眼科鏡片包含：一隱形眼鏡，其包括一光學區及一外圍區；以及一瞳孔位置與收縮偵測系統係結合至該隱形眼鏡之外圍區中的，該瞳孔位置與收縮偵測系統包括一感應器、一通訊裝置、一系統控制器與至少一致動器，該感應器係用來測定瞳孔位置，該通訊裝置係配置用來傳送與接收資料至/自至少一結合至一第二隱形眼鏡之一外圍區中的第二瞳孔位置與收縮偵 測系統，該系統控制器係協同關聯至該感應器與該通訊裝置，並且配置用來根據來自該感應器與該第二瞳孔位置與收縮偵測系統之資訊來測定瞳孔位置與收縮並輸出一控制訊號，而該至少一致動器係配置用來接收該輸出控制訊號並實施一預定功能；其中該感應器包含至少一配置用來偵測與眼睛移動相關聯之神經肌肉活動(neuromuscular activity)的神經肌肉感應器(neuromuscular sensor)。
  11. 一種供電式眼科鏡片，該供電式眼科鏡片包含：一隱形眼鏡；以及一結合至該隱形眼鏡中的瞳孔位置與收縮偵測系統，該瞳孔位置與收縮偵測系統包括一感應器、一通訊裝置、一系統控制器與至少一致動器，該感應器係用來測定瞳孔位置，該通訊裝置係配置用來傳送與接收資料至/自至少一結合至一第二隱形眼鏡之一外圍區中的第二瞳孔位置與收縮偵測系統，該系統控制器係協同關聯至該感應器與該通訊裝置，並且配置用來根據來自該感應器與該第二瞳孔位置與收縮偵測系統之資訊來測定瞳孔位置與收縮並輸出一控制訊號，而該至少一致動器係配置用來接收該輸出控制訊號並實施一預定功能；其中該感應器包含至少一配置用來偵測與眼睛移動相關聯之神經肌肉活動的神經肌肉感應器。
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