TWI588559B - 用於可變光學電子眼用鏡片的系統控制器 - Google Patents

Description

用於可變光學電子眼用鏡片的系統控制器

本專利申請案主張於2012年4月3日申請的美國暫時專利申請案第61/619,727號，以及於2012年4月3日申請的美國暫時專利申請案第61/619,655號的優先權。本發明係關於一種可變光功率或電子眼用鏡片，及更具體而言係關於一種用於控制可變光學電子眼用鏡片之系統控制器。

隨著電子裝置持續微型化，越來越有可能創造各種用途的配戴式或嵌入式微電子裝置。這些用途可包括監控身體的化學變化、透過多種機制(包括自動、回應量測或回應外部控制信號)給予受控劑量的藥劑或治療劑，以及加強器官或組織的效能。這些裝置的實例包括葡萄糖輸注泵、心律調整器、電擊器、心室輔助裝置及神經刺激器。眼用配戴式鏡片及隱形眼鏡係新穎的、特別有用的應用領域。例如：配戴式鏡片可結合具有電子可調式焦距的鏡片組，以加強或強化眼睛的效能。在另一實例中，配戴式隱形眼鏡(不論是否具有可調式焦距)可結合電子感測器以偵測角膜前(淚液)膜中的特定化學物質濃度。在鏡片組中使用嵌入式電子設備引發與該電子裝置通信，以做為對該電子設備提供動能及/或再次提供能量、使該電子設備互連、內部及外部感測及/或監控及控制該電子設備及該鏡片整體功能之方法的潛在需求。

人類眼睛具有辨別無數顏色、輕鬆適應不斷變化的光線條件及以超越高速網際網路連線之速率向大腦傳送信息或資訊的能力。例如隱形眼鏡及人工水晶體的鏡片目前被用於矯正視覺缺陷，例如近視、遠視、老花眼及散光。然而，設計妥當之結合額外組件的鏡片可用來強化視覺以及矯正視力缺陷。

隱形眼鏡可用於矯正近視、遠視、散光以及其他視覺敏銳度缺限。隱形眼鏡亦可用於強化配戴者眼睛的自然外觀。隱形眼鏡係放置在眼睛前表面的簡單鏡片。隱形眼鏡被視為醫療用品，可配戴作為矯正視力及/或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聚矽氧優點和經證實的水凝膠舒適性及臨床表現。基本上，和早期硬質材料製成的隱形眼鏡相較之下，這些矽氧烷水凝膠基底的隱形眼鏡具有較高的氧氣滲透率且通常配戴更舒適。

習知的隱形眼鏡係具有特定形狀的聚合物結構，用於矯正多種如上文簡述之視覺問題。為了增強功能，必須將多種電子電路及組件整合入這些聚合物結構中。例如，可透過訂製的光電組件將控制電路、微處理器、通信裝置、電力供應器、感測器、致動器、發光二極體及微型天線整合入隱形眼鏡中，不僅用於矯正視力，也能加強視覺以及提供如本文所闡釋的額外功能。電子及/或電力隱形眼鏡可設計為透過放大及縮小功能，或者僅單純調整鏡片的折射能力而用於提供強化視 覺。電子及/或電力隱形眼鏡可設計為用於強化顏色及解析度，以顯示紋路資訊、即時翻譯演講為字幕、提供來自導航系統的視覺提示以及提供影像處理及網際網路存取。該鏡片可設計為使配戴者在光線不足的條件下能看見。鏡片上設計妥適的電子裝置及/或電子裝置配置可投影影像到視網膜上，例如不用變焦式光學鏡片，可提供新穎的影像顯示，甚至提供喚醒警訊功能。另外，除任何這些功能或與其相似之功能外，該隱形眼鏡可結合用於非侵入式監測配戴者生物標記及健康指標的組件。例如：內建於鏡片的感測器可使糖尿病患者藉由分析淚液膜之組份持續監測血糖水平而不需進行抽血。此外，適當配置的鏡片可結合用於監控膽固醇、鈉及鉀含量以及其他生物標記的感測器。如此一來，搭配無線資料傳送器，使得醫生能夠幾乎是立即的獲得病患的血液化學組成，而不需病患耗費時間到實驗室一趟及抽血。此外，內建於鏡片的感測器可用於偵測入射到眼睛的光線以補償環境光線條件，或用於測定眨眼的模式。

適當組合的裝置可產生潛能無限的功能；然而，將額外組件結合至一片光學級聚合物有許多困難。一般而言，因為種種原因直接在鏡片上製造這些組件，以及在非平面的表面上安裝及連接平面裝置是困難的。亦難以在微縮規模製造。欲放置到鏡片上或鏡片內的組件必須被微型化，並整合到僅1.5平方公分(假設鏡片的半徑為7毫米)的透明聚合物中，同時避免該組件與眼睛的液相環境接觸。亦難以使具有額外組件之額外厚度的隱形眼鏡對配戴者來說覺得舒適又安全。

更具體而言，該1.5平方公分的透明聚合物代表隱形眼鏡的整體區域。在某些例示性具體實施例中，電子裝置較佳為位在鏡片週邊而避開光學區域。替代例示性具體實施例亦可能利用薄膜材料或透明矽。在上述實例中，若保留中央八(8)毫米直徑部分(4毫米半徑)給光學區域，則至多僅剩餘一(1)平方公分給電子裝置。未來的設計可能甚至提供更少空間給電子裝置，例如：可能設計有約0.17平方公分(17平方 毫米)、不包括可變焦光學區的環形圈。此即意味著，一個晶片可能運用之最大積體電路晶片面積僅為1.26平方毫米。換言之，本發明所需要者係規模前所未有之設計及配置。

有鑑於例如隱形眼鏡之眼用裝置的面積及體積限制，以及其所被利用的環境，該裝置的物理實現必須克服許多問題，包括在主要為光學塑膠的非平面表面上安裝及連接多個電子組件。因此，存在著提供機械上及電子上皆健全之電子隱形眼鏡的需求。

由於這些係電力鏡片，運作該電子裝置所需的能量(或更具體而言為消耗電流及耗電量)在用於眼用鏡片的規模上成為電池科技的關注重點。除了正常的電流消耗，此等性質之電力裝置或系統通常需要備用電流儲量、精確的電壓控制及交換能力，以確保在潛在的大範圍運作參數下運行，以及突發性消耗，例如：在閒置多年之後，單次充電仍可運作高達十八(18)小時。因此，存在著對於低成本、長期可靠的服務、安全性及尺寸的最適化又提供所需電力之系統的需求。

此外，因為與電力鏡片有關的功能複雜性及包含電力鏡片之所有組件之間的高度互動，存在著協調及控制包含電力眼用鏡片之電子裝置及光學裝置的整體運作的需求。商用微控制器已被認為可用於控制電子眼用裝置；然而，將目前可得的微控制器用於電子眼用裝置有許多缺點。這些微控制器目前約為五(5)平方毫米，邊長較一些眼用裝置設計所允許的長度更長，且晶片厚度之等級係數百微米，對眼用裝置而言亦屬太大。商用微控制器並非特別為了眼用電子系統的需求而訂製，且因此可能包含不需要的功能塊、浪費的空間及電流或未包含所需的功能塊。其他限制使得商業上可得之微控制器或其他現成的電子組件無法用在電子眼用裝置中。因此，存在控制所有其他組件之運作、安全、低成本、可靠，並具有低耗電量及得以結合到眼用鏡片之尺寸之系統的需求。

電力鏡片系統可結合具有高串聯電阻及低電容之動能儲存裝置(電池)。先前技術之電路，例如商業上可得之微控制器所需要的峰值電流及平均電流對此種電源而言太高，使得該峰值電流將造成無法接受的電池輸出電壓下降，且該平均電流對該電力鏡片系統所需的電池壽命而言將太快耗盡電池充電量。

因此，存在能夠靈活操作嵌入電力鏡片之電子式及機電式或電化學式系統的之系統控制器的需求，其被設計並配置來將該系統的總體耗電量最小化。該系統控制器應對於電力鏡片外部及內部的條件改變產生反應，以提供功能或性能的最佳組合，並同時將耗電量最小化。此外，該系統控制器所需要或耗用的體積及空間較佳為小至足以與其他所需的組件一起整合入至隱形眼鏡中。

本發明之系統控制器(包括用於控制可變光學眼用鏡片之電子電路系統及控制算則)克服如前文所述之先前技藝的缺點。

本發明關於一種包含電子系統的電力隱形眼鏡，該電子系統執行任意數量的功能，包括啟動可變焦式光學裝置。該電子系統包括一或多個電池或其他電源、電源管理電路系統、一或多個感測器(例如第一感測器、第二感測器)、時脈產生電路系統、執行合適控制算則之控制電路系統及鏡片驅動電路系統。該系統可進一步包括經由入射光或其他電磁波或電磁場而偵測眨眼之電路。

根據一態樣，本發明係關於一種眼用設備。該眼用設備包括合併到配置來用於至少一眼中或一眼上之眼用裝置的電子系統；合併到該電子系統用於控制其之操作的系統控制器，該系統控制器係配置來執行接收至少一信號及輸出至少一信號之主狀態機；合併到該電子系統的電子電路系統，該電 子電路系統與該系統控制器操作性連接並提供電力給該系統控制器，該電子電路系統包括一或多個電源及一或多個時脈產生電路或輸入端；及至少一個致動器，配置來接收至少一個來自該系統控制器之輸出。

該系統控制器包含一組執行數位邏輯之狀態機，其控制該系統之組件。該系統控制器可接收來自電源管理電路系統及時脈產生電路系統之電力、偏壓及一或多個時脈信號。該系統控制器執行設計成數位邏輯之預定操作或預編程操作。該系統控制器執行多項功能，包括觸發一或多個感測器以取得由該一或多個感測器(感測器輸入端)所提供之信號的一或多個樣本、儲存感測器輸入信號、將感測器輸入信號與預編程的態樣相比較、依據目前系統狀態及感測器輸入信號或儲存的感測器輸入信號決定採取的下一個動作及系統的下一個狀態、及啟動或停止包含該系統的其他組件。該系統控制器亦可通過多種介面進行編程以改變其之操作。

本發明之系統控制器提供一種安全、低成本、可靠的控制可變光學電子隱形眼鏡的方法，其同時具有低耗電量及面積、體積可微縮等等以合併到例如隱形眼鏡之光學裝置中，而不會對舒適度或耐磨耗性產生顯著的影響。

100‧‧‧電源

102‧‧‧電源管理電路系統

104‧‧‧系統控制器

106‧‧‧H橋控制器

108‧‧‧電壓倍增器

110‧‧‧H橋開關電路

112‧‧‧變焦式光學元件

114‧‧‧感測器

116‧‧‧感測器信號路徑

200‧‧‧電壓調節器vreg

202‧‧‧低頻振盪器

204‧‧‧以調節器為主的通電重設電路vdd_por

206‧‧‧系統控制器

208‧‧‧主狀態機master_fsm

210‧‧‧時脈及重設產生器clk_rst_gen

214‧‧‧數位眨眼偵檢子系統dig_blink

216‧‧‧數位接收器子系統dig_rx

218‧‧‧電荷泵電壓倍增器控制器dig_cp

300‧‧‧IDLE態

302‧‧‧BLINK態

304‧‧‧RX態

306‧‧‧CP態

308‧‧‧DONE態

501‧‧‧圓圈部份

600‧‧‧喚醒計數器

602‧‧‧喚醒偵檢電路

604‧‧‧go暫存器

606‧‧‧狀態機致能暫存器

608‧‧‧狀態機時脈閘

700‧‧‧隱形眼鏡

702‧‧‧軟式塑膠部分

704‧‧‧電子嵌入物

706‧‧‧鏡片

708‧‧‧電路系統

710‧‧‧電源

712‧‧‧電子互連佈線

714‧‧‧感測器

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係根據本發明之例示性可變焦鏡片系統的方塊示意圖。

圖2係圖1之可變焦鏡片系統之整合部分的方塊示意圖。

圖3係本發明之系統控制器之主狀態機的例示性狀態轉換圖。

圖4係根據本發明之時脈及重設產生器及主狀態機之第一例示性操作程序的時序圖。

圖5係根據本發明之時脈及重設產生器及主狀態機之第二例示性操作程序的時序圖。

圖5A係根據本發明之圖5之時脈及重設產生器及主狀態機之第二例示性操作程序的放大時段時序圖。

圖6係根據本發明之例示性控制系統之部分時脈及重設產生器的方塊圖。

圖7係根據本發明之用於電力隱形眼鏡之例示性電子嵌入物(包括控制系統)的示意圖。

習知的隱形眼鏡係具有特定形狀的聚合物結構，用於矯正多種如上文簡述之視覺問題。為了增強功能，必須將多種電路及組件整合入這些聚合物結構中。例如，可透過訂製的光電組件將控制電路、微處理器、通信裝置、電力供應器、感測器、致動器、發光二極體及微型天線整合入隱形眼鏡中，不僅用於矯正視力，也能加強視覺以及提供如本文說明的額外功能。電子及/或電力隱形眼鏡可設計為透過放大及縮小功能，或者僅單純調整鏡片的折射能力而用於提供強化視覺。電子及/或電力隱形眼鏡可設計為用於強化顏色及解析度，以顯示紋路資訊、即時翻譯演講為字幕、提供來自導航系統的視覺提示以及提供影像處理及網際網路存取。該鏡片可設計為使配戴者在光線不足的條件下能看見。鏡片上設計妥適的電子裝置及/或電子裝置配置可投影影像到視網膜上，例如不用變焦式光學鏡片，還可提供新穎的影像顯示，甚至提供喚醒警訊功能。另外，除任何這些功能或與其相似之功能外，該隱形眼鏡可結合用於非侵入式監測配戴者生物標記及健康指標的組件。例如：內建於鏡片的感測器可使糖尿病患者藉由分析淚液膜之組份持續監測血糖水平而不需進行抽血。此外，適當配置的鏡片可結合用於監控膽固醇、鈉及鉀含量以及其他生物標記的感測器。如此一來，搭配無線資料傳送器，使得醫生能夠幾乎是立即的獲得病患的血液化學組成，而不需病患耗費時間到實驗室一趟及抽血。此外，內建於鏡片的感測器可用於偵測入射到眼睛的 光線以補償環境光線條件，或用於測定眨眼的模式(例如第一眨眼模式、第二眨眼模式)。

本發明之電力或電子隱形眼鏡包含矯正及/或強化帶有一或多種上述視覺缺陷之病患視覺或者執行有用之眼科功能所必需的元件。此外，這些可單純用來強化正常的視覺或提供如前文所述之各式各樣的功能。電子隱形眼鏡可包含多種變焦式光學鏡片、嵌入隱形眼鏡之組裝式前光學元件或僅只是用於任何合適功能之單純而無鏡片的嵌入式電子元件。本發明之電子鏡片可結合到如前文所述之任何數量的隱形眼鏡中。此外，人工水晶體亦可結合本文所述之多種組件及功能。然而，為了便於說明，本揭露文件將側重於擬供單次使用的日拋式矯正視覺缺陷之電子隱形眼鏡。

術語眼用裝置被使用在整份說明書中。一般而言，眼用裝置可包括隱形眼鏡、人工水晶體、眼鏡片及淚管塞。然而，根據本發明，眼用裝置係用於治療眼睛疾病、視覺矯正及/或視覺強化，且較佳為包括至少淚管塞、眼鏡片、隱形眼鏡及人工水晶體之一者。人工水晶體或IOL是植入眼睛並取代晶狀體的鏡片。其可用於患有白內障的個體或單純用來治療多種屈光異常。IOL通常包括一小型塑膠鏡片，其具有被稱為支撐腳(haptics)的塑膠側邊支柱，用於將鏡片固定在眼睛的囊袋中。本文所描述的任何電子元件及/或組件可利用類似於隱形眼鏡之方法結合到IOLs中。淚管塞或淚管封堵器係一種用於插入眼睛淚孔(punctum)以治療一或多種疾病狀態之眼用裝置。雖然本發明可用在任何這些裝置中，然在較佳例示性具體實施例中，本發明係用在隱形眼鏡或人工水晶體中。

本發明係關於一種包括電子系統的電力眼用鏡片或電力隱形眼鏡，其啟動變焦式光學元件或任何其他裝置或配置來執行任何數量之多種可能實行之功能的裝置。該電子系統包括一或多個電池或其他電源、電源管理電路系統、一或多個感測器、時脈產生電路系統、執行適當控制算則之控制電路系統及鏡片驅動電路系統。這些組件的複雜性可隨該鏡片所需之功能或所欲之功能而變化。

值得注意的是，本發明之系統控制器可接收任何數量之用於控制電力或電子眼用鏡片的輸入信號，例如：包含用於將遠距物體放大並將近距物體縮小之可變電力光學元件或變焦式光學元件的隱形眼鏡。

系統控制器或控制系統包括一或多個裝置，其係配置來管理、下指令、指揮及/或調節其他裝置及/或系統之動作。雖然有多種不同型態的控制系統，一般可分為二種類型；也就是邏輯式或序列性控制系統及反饋式或線性控制系統。在邏輯式或序列性控制系統中，指令信號係以預定程序觸發一連串致動器的輸出，以執行一或多項操作。在反饋式控制系統中，配置控制迴路(包括一或多個感測器)、控制算則及致動器來將變數調節在設定值或參考值。就任何反饋式控制系統而言，必須知悉者為該系統所欲為何，以了解系統執行之情況，並利用執行資訊校正及控制該系統。

基礎反饋式控制系統之組件可如下文所述。控制系統包含所欲控制的系統或受控體，並係配置來接收輸入信號及提供輸出。該受控體之輸出被輸入至感測器，其量測一或多個該受控體之參數並提供反饋信號。然後將該反饋信號經由比較器或其他合適的裝置從該輸入信號減去，以產生一誤差信號。然後將該誤差信號輸入至控制器，其輸出一信號至該受控體，藉此引發該受控體執行所欲之動作。實質上，來自該感測器之反饋試圖解釋整體系統之複雜性，並產生給定輸入信號所欲之輸出。所有控制系統皆係受某些控制法則的限制而設計，且一般代表多方面的權衡，包括速度及準確度。雖然本揭露文件敘述極度簡化且係從硬體方面描述之，卻提供反饋式控制系統的基礎，且其可在硬體、軟體或其任何組合中實施。

反饋式控制系統可進一步分類為比例控制器、積分控制器、微分控制器或其組合。在比例控制器中，控制動作與誤差成比例。在積分控制器中，到達受控器的致動信號或輸入信號與誤差的積分成比例。在微分控制器中，處理流 程的輸出與輸入信號改變的速率成比例。各種控制器如控制領域所習知皆具有各自之優勢。例如：利用積分控制器時應可達成穩態誤差。

如前文所述，序列性控制器係一系列動作需以特定次序發生者。這些動作可能相當複雜，因為必須知悉總體流程的所有條件。序列性控制器一般而言包含下達順序指令的邏輯系統，用於控制電子及/或機械動作。可編程的邏輯式控制器及微控制器可被編程用於序列控制。

本發明之系統控制器主要係序列性控制系統，雖然技術領域中具有通常知識者將能認可，該系統控制器或與該系統控制器相連的子系統可合併回應由感測器輸入端所提供之反饋信號的特徵。這些操作的實例包括改變子系統之工作週期或電力階以回應低電池容量、調整內部時脈頻率以和接收信號的頻率同步及/或調節輸送至眼睛淚液膜之治療劑或藥物的量以回應淚液膜化學成份之測量結果。

如前文所述，本發明係關於包含多種組件之隱形眼鏡，而系統控制器為這些組件之一。適當組合的裝置可產生潛在無限的功能；然而，將額外組件結合到一片組成隱形眼鏡的光學級聚合物中有許多困難之處。一般而言，因為種種原因難以直接在鏡片上製造這些組件，以及在非平面的表面上安裝及連接平面裝置。也難以在此規模製造及成型。欲放置到鏡片上或鏡片內的組件必須被微型化，並整合至僅1.5平方公分(或更具體而言係十七(17)平方毫米)的透明聚合物中，同時避免該組件與眼睛的液相環境接觸。使得具有額外組件之額外厚度的隱形眼鏡對配戴者而言舒適又安全亦為困難的。

除了本文所載之尺寸要求，結合到隱形眼鏡的電子裝置在基本上為液相之環境中使用時，必須是穩固且安全的。淚液之pH值約為7.4且組成係約98.2百分比的水及1.8百分比的固體，包括例如鈉、鉀、鈣、鎂及氯之電解質。對於引進電子元件而言，此係略為嚴苛之環境。再者，隱形眼鏡一般 係設計來配戴至少四小時，且較佳為長於八小時。電子組件需要能量。此能量可由任意數量之電源供應，包括內建之電池。因為電池及其他可能的電源在這些尺寸所能儲存之電量皆受有限制，包括系統控制器之所有電子組件較佳設計成耗用的功率越小越好，使得隱形眼鏡在閒置一段時間後仍能配戴給定的時間長度(擱置壽命)。最後，電子隱形眼鏡中的所有組件必須為生物可相容且安全的。因此，結合到隱形眼鏡中的所有電子元件皆須滿足所有上述設計參數；也就是說，尺寸、在水溶液中的倖存度、耗電量及安全性。本發明之系統控制器符合所有這些要求。

現在參考圖1，所繪示者係變焦式電子眼用鏡片系統之例示性具體實施例，其包含電源100、電源管理電路102、系統控制器104、H橋控制器106、電壓倍增器108、H橋110、變焦式光學元件112、感測器114及感測器信號路徑116。接下來詳細說明前文所載之各組件。值得注意的是，本文所述之各組件可以任意數量之合適方法實施。同時值得注意的是，功能方塊係為說明之目的而顯示及描述之，且功能方塊尚可依系統控制器設計的基本原理而增加、移除或取代，並作專用於如本文所述電子或電力眼用裝置之配置。

變焦式眼用光學元件或單純的變焦式光學元件112可係改變焦點性質(例如焦距)以回應施加於變焦式光學元件112之二接電端子之動作電壓的液態鏡片。然而值得注意的是，該變焦式光學鏡片可包含任何合適的可控式光學元件裝置，例如：發光二極體或微機電系統(MEMS)致動器。該二接電端子可對應於變焦式光學元件112之前側端及背側端。該動作電壓可顯著高於可得自電源之電壓；因此存在對於本文所述之其他電路系統的需求。電源100可包含電池、能源擷取器、電容器或任何提供可用工作電壓之電流的相似裝置。在一 些例示性具體實施例中，電源100可係連結到外部電源供應器的電感性電源。電源管理電路102可包含一或多個電壓調節器、轉換器、電壓或電流基準及開關，以選擇性供應電力至變焦式電子眼用鏡片系統的其他組件。系統控制器104依據內部算則或使用者之外部控制(未顯示介面)提供控制信號給電壓倍增器108及H橋控制器106。電壓倍增器108接收來自電源100之低工作電壓電流並產生位於或高於變焦式光學元件112之動作電壓的高輸出電壓，亦即足以改變變焦式光學元件112之狀態。電壓倍增器108可進一步包含振盪器或接收來自系統控制器104之時脈信號。在此例示性具體實施例中，該電壓倍增器輸出端係經由H橋開關電路110連接到變焦式光學元件112，該H橋開關係電子系統中習知的功能方塊。H橋開關電路110包含電壓倍增器108及各變焦式光學元件112接電端子之間的開關，以及各變焦式光學元件112接電端子及該系統之電氣接地之間的開關。H橋開關電路110之狀態係由一或多個系統控制器104控制信號測定。H橋開關電路110可配置成一或多種狀態，例如與變焦式光學元件112接電端子呈開啟狀態、短路接地、或一端與電壓倍增器108連接且另一端接地而通電、或以相反極性通電。系統控制器104可週期性反轉H橋開關電路110輸出端之極性以最佳化變焦式光學元件112之性能，例如：避免以一狀態通電過久而發生的過量電荷捕捉。

感測器114可為光感測器，例如光二極體、壓力感測器、電容性觸摸感測器或電磁感應線圈或天線以感測射頻或低頻電磁信號。感測器114亦可包含眼瞼位置感測器、瞳孔收斂感測器、向後瞳孔擴張感測器、發射體-偵檢器組感測器、眨眼偵測感測器或感測器之任何組合。感測器信號路徑116包含適用於接收感測器114之輸出並處理該信號以達成所欲之雜訊過濾、放大或其他修飾並提供經調整之感測器信號給系統控制器104之電路系統。感測器信號電路116可由系統控制器104控制，例如致能或禁能電路系統或更改該電路系統之操作參 實施例中，該變焦式電子眼用鏡片系統可包含一或多個相似或不同類型的感測器及感測器信號路徑。

系統控制器104包含數位控制系統，其控制該系統之組件且可執行微控制器運行軟體或數位邏輯，例如：一或多種狀態機。值得注意的是，不管系統控制器104如何執行，其係設計並配置來結合到隱形眼鏡的一部中。因此，尺寸及耗電量係重要的因素。系統控制器104可進一步包含用於產生週期時序信號給該控制系統之振盪器。系統控制器104接收來自電源管理電路系統102之偏壓及電力及來自時脈產生電路系統(以下所述之圖2所繪示的低頻振盪器202)之時序脈衝。低頻振盪器202可單獨存在或為電源管理電路系統102之一部分。系統控制器104執行設計成數位邏輯之預定操作或預編程操作。系統控制器104執行多項功能，包括觸發一或多個感測器以取得一或多個樣本、儲存感測器輸入信號、將感測器輸入信號與預編程的態樣相比較、依據目前系統狀態決定次一動作，及啟動或停止包含該系統的其他組件。系統控制器104亦可通過多種介面進行編程以改變其操作。

圖2繪示變焦式電子眼用鏡片鏡片系統之整合部分的例示性具體實施例，特別提供可一起整合入半導體晶片中之系統控制器及相關電路的細節。變焦式鏡片子系統之整合部分包含電壓調節器vreg 200、低頻振盪器202、以調節器為主的通電重設電路vdd_por 204及系統控制器206。

電壓調節器vreg 200連接到電池或外部電源並提供經調節之電壓給系統中的其他電路，特別是系統控制器206。以調節器為主的通電重設電路vdd_por 204連接到調節器輸出端，提供指示調節器輸出電壓穩定維持在可用電壓位準的重設信號por_rst_n，並確保系統控制器206中的暫存器在系統通電時重設成所欲之預設起始狀態。低頻振盪器202提供低頻時脈信號lf_clk給系統控制器206。

在本例示性具體實施例中，系統控制器206包含主狀態機master_fsm 208、時脈及重設產生器clk_rst_gen210、數位眨眼偵檢子系統dig_blink 214、數位接收器子系統dig_rx 216及電荷泵電壓倍增器控制器dig_cp 218。時脈及重設產生器clk_rst_gen 210接收低頻時脈信號lf_clk及以調節器為主之通電重設信號por_rst_n並提供時脈及重設給系統控制器206中的方塊。主狀態機master_fsm 208接收來自時脈及重設產生器clk_rst_gen 210之狀態機時脈信號smclk及狀態機重設信號smclk_rst_n。主狀態機master_fsm 208包含經預定程序之狀態處理的狀態機，其中系統控制器206中的其他方塊是被啟動或致能的。數位眨眼偵檢系統子系統dig_blink 214可包含狀態機及額外的邏輯以提供致能信號adc_en給類比數位轉換器並從來自類比數位轉換器之信號adc_data接收資料。數位接收器子系統dig_rx 216可包含狀態機及額外的邏輯以提供致能信號rx_en給接收器子系統並從來自接收器子系統之信號rx_data接收資料。接收器子系統可包含變焦式鏡片系統中分離的感測器及感測器信號路徑。電荷泵電壓倍增器控制器dig_cp 218可包含邏輯以譯解系統控制器206中的鎖存值或儲存值並提供電荷泵致能信號cp_an_en給電荷泵電壓倍增器。圖2所繪示的信號及方塊之程序行為隨後在圖3及圖4之描述中有進一步之說明。

圖3繪示圖2所示之例示性具體實施例之主狀態機master_fsm 208的狀態轉換圖。初始狀態係IDLE態300，其中當來自時脈及重設產生器clk_rst_gen 210的重設信號smclk_rst_n生效時置有主狀態機master_fsm 208(在本例示性具體實施例中為低態動作)。在第一狀態機時脈邊緣smclk上，主狀態機master_fsm 208轉換成BLINK態302，期間數位眨眼偵檢子系統dig_blink 214藉由信號bl_go之生效而致能。主狀態機master_fsm 208在BLINK態302中存續至接受到眨眼完成信號bl_done，其係來自數位眨眼偵檢子系統dig_blink 214，指示眨眼偵檢操作已完結。主狀態機master_fsm 208可將數位眨 眼偵檢子系統dig_blink 214之輸出值鎖存或儲存到暫存器中以待進一步譯解或處理。該輸出值可能係以一序列對照明度的偵檢或符合預定或預編程模式之眨眼模式的偵檢結果為根據。一模式可用來更新電荷泵電壓倍增器控制器dig_cp之狀態。另一模式則可用來輸入通信接收模式。主狀態機master_fsm 208接著轉換(視情況以BLINK態302中鎖存的數值為依據)成RX態304或CP態306，在圖示中以「若偵檢到Rx程序」及「若未偵檢到Rx程序」標記指示。在RX態304中，主狀態機master_fsm 208藉由使信號rx_go生效致能數位接收器子系統dig_rx 216。數位接收器子系統dig_rx 216可利用rx_en及rx_data信號致能及接收來自通信接受器之資料。在RX態304中，主狀態機master_fsm 208同樣在此狀態中等待或保持在此狀態中，直至接收到指示接收器操作完結之rx_done信號，則其接著轉換成CP態306。在CP態306中，主狀態機master_fsm 208藉由使信號cp_go生效致能電荷泵電壓倍增器控制器dig_cp 218，以根據接收自數位眨眼偵檢子系統dig_blink 214或通信接受器操作dig_rx 216的數值更新電荷泵控制信號的狀態。在此例示性具體實施例中，電荷泵電壓倍增器控制器dig_cp 218僅需要一個時脈週期進行更新，因此不需要相對應的完成信號。主狀態機master_fsm 208接著轉換成DONE態308並保持在該狀態直至被smclk_rst_n信號重設。

圖4提供時序圖，繪示根據本發明之例示性具體實施例之多種可能的時脈及重設產生器clk_rst_gen 210及主狀態機master_fsm 208操作程序之一者。頂端顯示者係當電池或電源連接到該系統時升高至穩定值的電池電壓Vbat，接著電壓調節器vreg 200輸出升高至穩定值的信號Vdd或Vreg。以調節器為主之通電重設vdd_por 204輸出por_rst_n接著回應Vreg電壓而被生效、低態動作、然後失效、高。如If_clk信號所示，低頻振盪器以2.56kHz之低率啟動。產生週期性內部喚醒信號wake_det(此處係以0.1秒之間隔為之)，而在此時主狀態機重 設smclk_rst_n失效且狀態機時脈係以smclk信號提供。主狀態機master_fsm 208從其之初始IDLE態300轉換成BLINK態302，並使一致能信號bl_go生效以致能數位眨眼偵檢子系統dig_blink 214以及由clk_rst_gen方塊210提供給數位眨眼偵檢子系統dig_blink 214之時脈信號bl_clk。數位眨眼偵檢子系統dig_blink 214使信號adc_en生效以致能與數位眨眼偵檢子系統dig_blink 214相關連的類比數位轉換器。adc_en信號可進一步用於在類比數位轉換器動作時致能用於該類比數位轉換器之高頻時脈源。當數位眨眼偵檢子系統dig_blink 214操作完結，bl_done信號對主狀態機master_fsm 208生效，然後使bl_go信號禁能藉此重設dig_blink狀態機214。如本例示性時序圖所繪示，該系統接著轉換成CP態306，其中電荷泵電壓倍增器控制器dig_cp 218使致能信號cp_an_en生效以啟動電荷泵電壓倍增器108(圖1)。cp_an_en信號可進一步用來在電荷泵電壓倍增器108動作時致能用於電荷泵電壓倍增器108之高頻時序源。主狀態機master_fsm 208接著轉換成DONE態308，而此時時脈及重設產生器clk_rst_gen 210再生效重設信號smclk_rst_n及禁能狀態機時脈smclk。可以理解的是，所繪示的程序包含藉由僅在必要時始致能時脈及電路，以降低總體系統耗電量之操作。

圖5提供時序圖，繪示根據本發明之例示性系統之多種可能的時脈及重設產生器clk_rst_gen 210及主狀態機master_fsm 208操作程序之另一者，並提供時脈信號的額外細節。在BLINK態302中，由數位眨眼偵檢子系統dig_blink 214提供的adc_en信號可用於感測器信號路徑中以致能高速類比數位轉換器時脈adc_clk。高速類比數位轉換器時脈adc_clk可在相關連的感測器信號路徑或時脈及重設產生器中執行。圖5中亦繪示由類比數位轉換器所提供，以指示其操作完結的adc_done信號。在本發明之一些例示性具體實施例中，當adc_done信號生效時高速類比數位轉換器adc_clk可被禁能或 斷開。如此一來，高速類比數位轉換器時脈adc_clk在類比數位轉換器完成操作所需的最短時間是有效的。可以理解的是藉由adc_done信號之閘控，使得高速類比數位轉換器時脈adc_clk在主狀態機時脈smclk之次緣之前是徹底禁能的。例如，在一些例示性具體實施例中，類比數位轉換器在頻率為1MHz之高速類比數位轉換器時脈adc_clk之十三(13)週期中完結其操作。因此高速類比數位轉換器時脈adc_clk致能之後可能在十三(13)微秒之內禁能，此一時間相對短於在藉由以2.56kHz或三百九十(390)微秒時脈頻率運作之主狀態機致能之後到禁能之前的時間。此行為繪示於信號adc_en、adc_done及adc_clk之圓圈部份501，其中顯示adc_clk信號在adc_en藉由類比數位轉換器生效(高態有效)時是致能的而在adc_done藉由類比數位轉換器生效(高態有效)時是禁能的。在一些進一步例示性具體實施例中，例如比較測定器、電壓基準或電流源之類比電路可adc_done信號生效時禁能。這些電路與系統之總體所欲平均電流汲極相較，可消耗相對大量之電流，因此盡快將這些禁能可大幅降低鏡片系統的總體耗電量。同樣地，由數位電荷泵電壓倍增器控制器dig_cp 218提供的電荷泵致能信號cp_an_en可用於電荷泵電壓倍增器中以致能高速電荷泵時脈cp_an_clk。如此一來，藉由操作低頻時脈lf_clk，系統控制器可在變焦式鏡片系統中僅於需要時致能及禁能更高速的時脈，藉而將耗電量最小化。可以理解的是由主狀態機master_fsm 208控制的有效操作需要約略為2.56kHz之八(8)時脈週期，或者3.125ms、各0.1s之時間間隔、1：32之任務週期，如此即可藉由將各子系統的動作時間最小化而提供低總體耗電量。

圖5A以較長時間規模提供一組相似於圖5所示之程序及操作的圖示，如此在電力開啟之後即可看見完整的0.1秒時間間隔。第一喚醒程序初始於時脈及重設產生器使主狀態機重設smclk_rst_n失效之時，並在smclk信號上提供狀態機時脈。該系統控制器狀態機採用如圖5所示之序列操作，且操 作在3.125微秒(ms)之期間Tactive內完成。如圖示所清楚呈現，剩餘之0.1秒時間間隔Twake中僅存的有效電路係電壓調節器、低頻時脈及計數器。第二喚醒程序初始於時間間隔Twake末、時脈及重設產生器使主狀態機重設smclk_rst_n失效時，並在smclk信號上提供狀態機時脈。

圖6圖示部分時脈及重設產生器clk_rst_gen 210之例示性具體實施例。時脈及重設產生器clk_rst_gen 210包含喚醒計數器600、喚醒偵檢電路602、go暫存器604、狀態機致能暫存器606及狀態機時脈閘608。當主狀態機master_fsm 208在IDLE態300時，只有低頻時脈lf_clk及喚醒計數器600係有效的。每隔低頻時脈lf_clk之兩百五十六(256)週期，喚醒計數器600使提供給喚醒偵檢電路602的喚醒信號生效。喚醒偵檢電路602使喚醒偵檢信號wake_det在喚醒生效後在低頻時脈lf_clk之一週期內持續生效。喚醒計數器600可在低頻時脈lf_clk之下降邊緣操作，以最大化在喚醒偵檢電路602的保持時間，例如若電路係以訂製邏輯設計。將喚醒偵檢信號wake_det提供給go暫存器604。go暫存器604在wake_det生效時使go信號生效並將go信號保持在生效或有效狀態直到由主狀態機master_fsm 208所提供的完成(done)信號生效為止。提供go信號給主狀態機致能暫存器606。主狀態機致能暫存器606在低頻時脈信號lf_clk的下降邊緣產生主狀態機重設信號smclk_rst_n。提供主狀態機重設信號smclk_rst_n給主狀態機master_fsm 208及狀態機時脈閘608。狀態機時脈閘608在smclk_rst_n失效時依據低頻時脈lf_clk提供狀態機時脈smclk。在圖示的例示性具體實施例中，smclk_rst_n信號被低態有效生效且失效成高位準。如圖所示，狀態機時脈閘608可被執行為AND閘。

可以理解到用於眨眼偵檢子系統、數位接受器子系統、電荷泵電壓倍增器子系統及額外子系統之致能及時脈閘電路可以類似於狀態機致能暫存器606及狀態機時脈閘608 的方式執行。如此一來，可以無雜訊的方式產生重設、致能及時脈，並只有在需要時始致能時脈及子系統，藉以將耗電量最小化。

可利用一小組邏輯閘及正反器建構主狀態機、數位子系統狀態機以及時脈及重設產生器電路。如此，本發明之系統控制器可利用互補式金屬氧化物半導體(CMOS)邏輯電路在矽半導體積體電路晶片上的非常小的區域內執行。因此本發明之系統控制器提供所欲之功能，以機動性控制眼用鏡片中的電子系統，並將耗電量、面積及體積最小化，使眼用鏡片之總體尺寸及電池壽命與需要相符。

系統控制器之邏輯功能如技術領域中所習知可在包括有限狀態機的序列性數位邏輯中執行。可以理解到可能有替代具體實施例，例如：在執行於微控制器的軟體中執行數個算則及功能。可以理解到系統可能有進一步變體，例如：使用不同類型的感測器、不同偵檢算則及在一或多個積體電路中軟體及硬體之不同分區。在一例示性具體實施例中，系統控制器完全整合到單顆矽CMOS積體電路晶片中。

現在參考圖7，所繪示者為帶有電子嵌入物的例示性隱形眼鏡，包含根據本發明之例示性具體實施例的控制系統。例示性隱形眼鏡700包含軟式塑膠部分702，其包含電子嵌入物704。電子嵌入物704包括鏡片706，其被本文所述之電子元件啟動或控制，例如：根據啟動而聚焦在近處或遠處。電路系統708安裝在嵌入物704之上並連接到電源710，例如：經由一或多個電子互連佈線712連接到電池。亦可經由電子互連佈線712連接到額外的電路系統。電路系統708可包括任何本文所載之組件，包括一或多個感測器714。

在一例示性具體實施例中，電子組件及電子互連係製於隱形眼鏡的周邊區域而非光學區域。根據替代例示性具體實施例，值得注意的是電子元件的位置不需限制在隱形眼鏡的周邊區域。所有本文中所載之電子組件皆可利用薄膜技術 及/或透明材料製造。若利用這些技術，電子組件只要與光學元件相容，即可放置在任何合適的位置。

儘管所顯示與所描繪的被相信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‧‧‧電源

102‧‧‧電源管理電路系統

104‧‧‧系統控制器

106H‧‧‧橋控制器

108‧‧‧電壓倍增器

110‧‧‧H橋開關電路

112‧‧‧變焦式光學元件

114‧‧‧感測器

Claims (22)

1. 一種眼用設備，其包括：一眼用裝置，其包含一軟式塑膠部分具一電子嵌入物，該電子嵌入物包括一可變焦鏡片位於其中央；一電子系統，其結合至配置用於至少一隻眼睛上之該眼用裝置中，該電子系統安裝在該電子嵌入物上圍繞該可變焦鏡片；一系統控制器，其係結合至該電子系統中以控制其之操作，該系統控制器係配置以執行接收至少一信號及輸出至少一信號之主狀態機，該系統控制器包含一時脈及重設產生器子系統、一數位眨眼偵測子系統、一數位接受器子系統和一電荷泵電壓倍增器控制器子系統，配置該數位眨眼偵測子系統用於偵測至少一個預定或預編程模式之眨眼操作以確定該主狀態機之操作；結合至該電子系統中的電子電路系統，該電子電路系統係與該系統控制器操作性關連並提供該系統控制器電力，該電子電路系統包括一或多個電源及一或多個時脈產生電路或輸入端；以及至少一個致動器，其係配置以接收來自該系統控制器之至少一輸出以控制該可變焦鏡片之操作。
2. 如申請專利範圍第1項之眼用設備，其中該眼用裝置包含一隱形眼鏡。
3. 如申請專利範圍第2項之眼用設備，其中該隱形眼鏡包含一軟式隱形眼鏡。
4. 如申請專利範圍第1項之眼用設備，其中該主狀態機係在硬體中執行。
5. 如申請專利範圍第1項之眼用設備，其中該主狀態機係在軟體中執行。
6. 如申請專利範圍第1項之眼用設備，其中該主狀態機係在硬體及軟體的組合中執行。
7. 如申請專利範圍第1項之眼用設備，其中該主狀態機與該時脈及重設產生器子系統之組合係配置以提供致能信號及時脈信號給一或多個子系統，以依序啟動該等子系統並接著在操作完成時關閉該等子系統，以使功率消耗降至最低。
8. 如申請專利範圍第1項之眼用設備，其中該時脈及重設產生器子系統包含一低頻時脈源及計數器。
9. 如申請專利範圍第8項之眼用設備，其中該系統控制器係配置使得該低頻時脈源及計數器僅在一重設時、在一啟動時及/或在一取得樣本及一致動動作之間時才處於一啟動狀態。
10. 如申請專利範圍第1項之眼用設備，其中該時脈及重設產生器電路係配置以提供一狀態機時脈及一狀態機重設給該主狀態機並週期性啟動該主狀態機。
11. 如申請專利範圍第1項之眼用設備，進一步包含一第一感測器及一第一感測器信號路徑，其中該主狀態機係配置以週期性致能該第一感測器及該第一感測器信號路徑並接收具有一有效值或序列有效值之感測器信號，且其中該週期性對應於該第一感測器及第一感測器信號路徑之一預定取樣速率。
12. 如申請專利範圍第11項之眼用設備，進一步包含一第二感測器及一第二感測器信號路徑，其中該主狀態機係配置以在偵測到來自該第一感測器及第一感測器信號路徑之一特殊預定有效值或序列有效值時，致能該第二感測器及該第二感測器信號路徑。
13. 如申請專利範圍第12項之眼用設備，其中該第一感測器及該第一感測器信號路徑包含一光感測器及光感測器信號路徑，且該感測器信號包含指示該光感測器上的一入射光量值。
14. 如申請專利範圍第13項之眼用設備，其中該預定序列值代表一眨眼模式。
15. 如申請專利範圍第14項之眼用設備，其中該主狀態機在偵測到一第一眨眼模式時致能一鏡片驅動電路。
16. 如申請專利範圍第15項之眼用設備，其中該主狀態機在偵測到一第二眨眼模式時致能一光感測器或電磁應線圈或天線的至少其中之一。
17. 如申請專利範圍第16項之眼用設備，其中該電子系統進一步包含具有一高速時脈之子系統，其係配置以提供指示該電子系統之操作完結的一「完成」信號給該主狀態機。
18. 如申請專利範圍第17項之眼用設備，其中該高速時脈信號在該子系統完結其操作時係由該子系統禁能。
19. 如申請專利範圍第1項之眼用設備，其中該電子電路系統進一步包含電源管理電路系統。
20. 如申請專利範圍第1項之眼用設備，其中該電子電路系統進一步包含一或多個電壓調節器。
21. 如申請專利範圍第1項之眼用設備，其中該電子電路系統進一步包含一或多個開關。
22. 如申請專利範圍第1項之眼用設備，其中該電子電路系統進一步包含一或多個感測器。