TWI588563B - 傳輸電能至隱形眼鏡之方法及其系統 - Google Patents

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TWI588563B
TWI588563B TW105125559A TW105125559A TWI588563B TW I588563 B TWI588563 B TW I588563B TW 105125559 A TW105125559 A TW 105125559A TW 105125559 A TW105125559 A TW 105125559A TW I588563 B TWI588563 B TW I588563B
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葉冠廷
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Description

傳輸電能至隱形眼鏡之方法及其系統
本發明係關於一種可接受外部電能之隱形眼鏡，尤係關於一種傳輸電能至隱形眼鏡之方法及其系統。
隱形眼鏡是一種配戴於眼睛角膜上，用以矯正視力或保護眼睛的鏡片。隨著電子元件微型化技術逐漸成熟，隱形眼鏡除了具有矯正視力的功用之外，亦可將微型化電子元件嵌入隱形眼鏡內部，並透過微型化電子元件感測眼睛之物理量或淚液中化學物質，而讓使用者能得知眼睛或身體之健康情形。例如，可將控制電路、微處元件、通訊元件、電力供應、感應器、致動器、發光二極體、光感應器或微型天線整合至隱形眼鏡中，此不只可用來矯正視力，還可以強化視力並提供額外功能性之用途。
上述微型化電子元件均需消耗電能才能正常運作，因此有效提供足夠電能至隱形眼鏡係亟待解決之重要課題。例如：美國公開發明專利申請案US2013/0041245 A1揭露一種可長時間量測眼壓之隱形眼鏡的組合，其係將電阻式眼壓 感測器、天線及感測晶片嵌入隱形眼鏡內，並將該隱形眼鏡之組合貼合於角膜上。藉由近場耦合的方式傳輸電力給隱形眼鏡的組合，因此得在受測者之眼睛周圍(例如：眼眶)貼附一能傳輸資料與電能之天線。另，該天線經由連接線與一可攜式記錄裝置電性相聯，並接受可攜式記錄裝置之電力而產生強度足夠之電磁場，如此隱形眼鏡之天線內才會產生所需之耦合電流。然而，受測者於該裝置與貼付於眼框之天線共同運作時，眼睛周圍會一直處於一定功率量之電磁場內，可能會造成精細眼睛之長期傷害。另外，前述連接線會圍繞身軀，從而造成行動不方便。
此外，美國發明專利案US 8,096,654 B2也揭露一隱形眼鏡，其內部包含影像顯示裝置、多個處理晶片、能量傳輸天線及生理訊號感測器。除隱形眼鏡外，還需於遠端提供一電磁通信裝置與一電源供應裝置。此隱形眼鏡可用於顯示影像或生醫感測等相關應用，而所消耗能量則來自外部電源供應裝置提供之電力，其係藉由遠場射頻傳遞能量的方式提供隱形眼鏡電能。同樣，受測者必須配戴額外裝置，並處於一高能量電磁場的環境中，此對於眼睛及身體可能會有相當傷害。
綜上所述，亟需要一種獵能(即由系統或裝置外部獲取能及轉換為電能)、安全及外型輕巧之傳輸電能裝置能與具電路之隱形眼鏡共同使用，藉此該等隱形眼鏡可以廣泛用於預防醫學及矯正監測。
本申請案係提供一種傳輸電能至隱形眼鏡之方 法及其系統，其係藉由生理動作，並利用電磁感應原理，從而產生供應隱形眼鏡中電子元件之電能。
於是，本發明提出一實施例，一傳輸電能至隱形眼鏡之系統，包含：一隱形眼鏡，包括至少一個生理訊號感測元件、一感應線圈及一電性連接至該生理訊號感測元件及該感應線圈之儲能元件；以及一磁性元件，當該磁性元件和該感應線圈間有相對運動，該感應線圈會產生感應電動勢，並對該儲能元件充電。
於另一實施例中，該磁性元件包括一能產生磁力線之材料。其中該磁性元件係固定於一上眼瞼之表面。
於另一實施例中，該隱形眼鏡包括一透明基材。該生理訊號感測元件，該感應線圈及該儲能元件係嵌埋於該透明基材內。
於另一實施例中，該感應線圈亦為一傳輸無線訊號之天線。該系統另包含一接收分析裝置，係用於接受並分析該天線發出之無線訊號。
於另一實施例中，該生理訊號感測元件係用以量測眼睛之眼壓、濕度、溫度、酸鹼度或淚液之成分。該隱形眼鏡另包含一電源管理電路，該電源管理電路對該感應電動勢進行整流、限流及穩壓，並將處理後之電能充電至該儲能元件。
於另一實施例中，該隱形眼鏡另包含一訊號收發及處理電路，其包括：一訊號讀取電路，擷取該生理訊號感測元件所產生之電氣訊號；一處理器，轉換該電氣訊號為處理的訊號；一調變器，改變該感應線圈之阻抗狀態以切換該感應線圈產生該感應電動勢、收集來自外部之高頻無線訊號或向外部傳送無線訊號，並能將該處理的訊號轉換成高頻訊號以供該感 應線圈向外部傳送；以及一解調變器，接受該感應線圈所收集來自外部之該高頻無線訊號，並將該高頻無線訊號還原成低頻訊號並輸出至該處理器。
於另一實施例中，該儲能元件係一電容、一電感或一電池。
本發明再提出一實施例，一種傳輸電能至隱形眼鏡之方法，包含步驟：提供一包括具有感應線圈之隱形眼鏡及一磁性元件；以及使該磁性元件和該感應線圈間有相對運動，以致該感應線圈產生感應電流。
一傳輸電能至隱形眼鏡之系統，包含：一隱形眼鏡，包括至少一個生理訊號感測元件及一感應線圈；以及一磁性元件，當該磁性元件和該感應線圈間有相對運動，該感應線圈會產生感應電動勢；其中該感應電動勢係作為該生理訊號感測元件之電力。
10‧‧‧隱形眼鏡
11‧‧‧透明基材
12‧‧‧生理訊號感測元件
13‧‧‧感應線圈
14‧‧‧訊號收發及處理電路
20‧‧‧磁性元件
21‧‧‧N磁極
22‧‧‧S磁極
30、60‧‧‧系統
51‧‧‧感應線圈
52‧‧‧電源管理電路
53‧‧‧儲能元件
54‧‧‧生理訊號感測元件
55‧‧‧訊號收發及處理電路
60‧‧‧系統
61‧‧‧手機
62‧‧‧筆記型電腦
71‧‧‧感應線圈
72‧‧‧電源管理電路
73‧‧‧儲能元件
74‧‧‧生理訊號感測元件
75‧‧‧訊號收發及處理電路
721‧‧‧整流器
722‧‧‧限流器
723‧‧‧穩壓器
751‧‧‧訊號讀取電路
752‧‧‧處理器
753‧‧‧解調變器
754‧‧‧調變器
755‧‧‧啟動重設電路
756‧‧‧振盪器
7531‧‧‧封包檢測器
7532‧‧‧比較器
80‧‧‧眼球
圖1係繪示根據本發明一實施例之隱形眼鏡的示意圖。
圖2係繪示根據本發明一實施例之磁性元件的示意圖。
圖3A及3B係圖1之隱形眼鏡附著於眼球表面及圖2之磁性元件貼附於上眼瞼之示意圖。
圖4A及4B係繪示根據本發明一實施例之磁性元件相對於隱形眼鏡之運動的示意圖。
圖5係繪示根據本發明一實施例之隱形眼鏡內的 電路方塊示意圖。
圖6係繪示根據本發明又一實施例之傳輸電能至隱形眼鏡之系統的示意圖。
圖7係繪示根據本發明又一實施例之隱形眼鏡內的電路方塊示意圖。
以下，就實施本發明之各種實施形態來加以說明。請參照隨附的圖式，並參考其對應的說明。另外，本說明書及圖式中，實質相同或相同的構成會給予相同的符號而省略其重複的說明。
圖1係繪示根據本發明一實施例之隱形眼鏡的示意圖。此實施例之隱形眼鏡係一具有溫度量測功能之隱形眼鏡10，但本發明不以此為限制，可以是置於眼球表面之任何配戴裝置。該隱形眼鏡10主要包含一透明基材11、一生理訊號感測元件(或生理訊號感測系統)12、一感應線圈(或天線)13及一訊號收發及處理電路14。透明基材11之材料可為矽水膠(silicone hydrogel)或水膠(HEMA)，因具有高透氧率與親水性等優點，故能提高配載者的舒適性，並適合長時間配戴。透明基材11之材料亦可為生物相容性材料所製成。透明基材11之材料亦可以是其他透明之高分子材料，並不受此實施例之限制。該感應線圈13可以向外部發送無線訊號，亦可以用於接受外部能量。例如：藉由外部之磁性元件形成電磁感應，從而產生電能供應該生理訊號感測元件12及訊號收發及處理電路14所需之電力，該電力可以是直接或間接(例如：藉由一電源管理電路)供應該兩 個元件，詳細說明記載於後之實施例。
生理訊號感測元件12可以是特殊應用IC(Application-Specific IC；ASIC)或是微機電(MEMS)元件，或以奈米、匹克(PECO)等級的化學材料、金屬材料或生物材料形成之感測元件，能用來量測眼睛之眼壓、濕度、溫度、酸鹼度或淚液之成分(例如：血糖)。該等不同用途或形式之感測器包括主動元件或被動元件，前者具主動電路故耗能較多，後者耗能很少，但均視為需要提供電力，否則無法讀取感測訊號或使元件正常工作。又該訊號傳送元件14可以將生理訊號感測器所產生之電氣訊號(例如電壓訊號或電流訊號)轉換為射頻(RF)訊號，並藉由天線13向外部傳送無線訊號。但本發明不限於將電氣訊號轉換為射頻(RF)訊號，亦可以轉換為藍牙(Bluetooth)或WiFi等所規定型式之訊號。類似前所述之環狀線路，天線13係塗佈於透明基材11表面並在該生理訊號感測器外圍之多個環狀線路，可以將符合通訊協定之無線訊號向外部發送。
上述磁性元件係包含一能產生磁力線之材料，因此當感應線圈13切割磁力線，會於感應線圈13上形成感應電動勢。又因感應線圈13實際上係一電性封閉之線路，即會因感應電動勢而產生有感應電流。圖2係繪示根據本發明一實施例之磁性元件的示意圖。磁性元件20包含一N磁極21及一S磁極22。有磁力線自N磁極21發出，穿過周圍之空氣而至S磁極22，再經過磁性元件20內部又回到N磁極21。
圖3A及3B係圖1之隱形眼鏡附著於眼球表面及圖2之磁性元件貼附於上眼瞼之示意圖。如圖3A所示，係眼睛張開時，貼附於上眼瞼之磁性元件20係在附著於眼球80之隱形 眼鏡10上緣，該磁性元件20及隱形眼鏡10即為傳輸電能至隱形眼鏡之系統30。正常人平均每分鐘要眨眼十幾次，當開始眨眼時，上眼瞼會往下眼瞼移動而短暫閉合或靠近。因此，貼附於上眼瞼之磁性元件20之磁力線會經過感應線圈13而被切割，同時感應線圈13會產生感應電動勢。接著，上眼瞼會遠離下眼瞼而往眼球80上緣移動，同樣磁力線會經過感應線圈13而被切割，但感應線圈13會產生不同方向之感應電流。一次眨眼產生方向不同之感應電流會造成另一儲能元件(圖未示)被充電又放電，下列實施例(見圖5)提出一電路以解決此一問題。
圖4A及4B係繪示根據本發明一實施例之磁性元件相對於隱形眼鏡之運動的示意圖。對照圖3A及3B，更可清楚看見眨眼動作時，磁性元件20相對於隱形眼鏡10之感應線圈13之運動。平均每分鐘眨眼十幾次，故每次眨眼就會產生感應電流或電能，因此可以提供生理訊號感測元件12、訊號收發及處理電路14及其他耗能元件所需之電力，例如給予電源管理電路、控制電路、微處元件、通訊元件、電力供應、感應器、致動器、發光二極體或光感應器等(圖未示，不限於圖1之實施例未記載者)所需消耗之電能。
圖5係繪示根據本發明一實施例之隱形眼鏡內的電路方塊示意圖。如前所述，當一次眨眼於感應線圈(或天線)51上產生方向不同之感應電流，藉由一電源管理電路52可將不同方向之感應電流整併為相同方向、限流及穩壓，故儲能元件53可以於一個眨眼期間中被有效及完整充電，以避免有被放電之機會。儲能元件53可以是一電容、一電感或一電池(MEMS微型電池)，並藉由電源管理電路52提供生理訊號感測元件54及訊號收發及處理電路55之電力。又訊號收發及處理電路55可 以將生理訊號感測元件54所產生之電氣訊號(例如電壓訊號或電流訊號)轉換為射頻(RF)訊號，並藉由感應線圈51向外部傳送無線訊號。
圖6係繪示根據本發明又一實施例之傳輸電能至隱形眼鏡之系統的示意圖。系統60係使用手機61或筆記型電腦62作為接收分析裝置，該接收分析裝置至少包含一訊號接收單元及一分析單元，該訊號接收單元接受隱形眼鏡10發出之無線訊號，且該分析單元會根據該無線訊號分析及判斷該眼壓、濕度、溫度、酸鹼度或淚液之成分是否正常。該接收分析裝置也可以是一已安裝特定軟體或應用程式之桌上電腦、平板電腦、智慧型手錶或手持裝置。
圖7係繪示根據本發明又一實施例之隱形眼鏡內的電路方塊示意圖。如前所述，當一次眨眼於感應線圈(或天線)71上產生方向不同之感應電流，藉由一電源管理電路72可整流、限流及穩壓。該電源管理電路72包括可將不同方向之感應電壓整併為相同方向的整流器(全波整流器或橋式整流器)721、抑制電壓變化的限壓器722及穩壓器(調壓器)723。故儲能元件73可以用來儲存能量，以避免有被放電之機會。又訊號讀取電路751可以擷取生理訊號感測元件74所產生之物理訊號(例如：電氣訊號)，進一步傳換成電壓訊號，電流訊號或是數位訊號，並將所擷取之訊號傳輸至處理器(微處理器、微控制器或數位訊號處理器)752，以進行簡易訊號處理或轉換(例如：ADC；類比數位轉換)，或對訊號進行修改、壓縮、解壓縮、加密、解密等進階訊號處理工作。
解調變器753接受感應線圈71所收集來自外部之無線訊號，並將高頻無線訊號還原成低頻訊號，該無線訊號 可以是由手機61或筆記型電腦62(圖6)發射之控制訊號或其他訊號。解調變器753包括封包檢測器(envelop detector)7531及比較器7532。又調變器754可以控制或改變感應線圈71之阻抗狀態(例如：高阻抗、中阻抗、低阻抗)以選擇該感應線圈71來產生感應電流或來自外部之高頻無線訊號，並將處理器752輸出之處理的訊號(低頻訊號)轉換成高頻訊號，並透過改變感應線圈71的阻抗狀態以與外部發射端(手機61或筆記型電腦62)溝通。處理器752可以控制訊號讀取電路751及調變器754之運作。啟動重設電路(power-on reset)755可在訊號收發及處理電路75啟動時將內部進行重置，又振盪器756產生可供處理器752處理訊號之參考時脈。啟動重設電路755及振盪器756亦可以整合至處理器752內。調變器754可以改變感應線圈71的阻抗狀態，並將低頻訊號轉換為射頻(RF)訊號以藉由阻抗狀態改變之感應線圈71來向外部傳送無線訊。訊號收發及處理電路75包括訊號讀取電路751、處理器752、解調變器753、調變器754、啟動重設電路755及振盪器756。另外，電源管理電路72及訊號收發及處理電路75可以整合於一訊號及電源控制電路(晶片)70中。前述電路僅為例示，可以不同或類似之等效電路取代各元件或局部電路，並不限制本案所請發明。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧隱形眼鏡
12‧‧‧生理訊號感測元件
13‧‧‧感應線圈
20‧‧‧磁性元件
21‧‧‧N磁極
22‧‧‧S磁極
30‧‧‧系統

Claims (18)

  1. 一傳輸電能至隱形眼鏡之系統，包含：一隱形眼鏡，包括至少一個生理訊號感測元件、一感應線圈及一電性連接至該生理訊號感測元件及該感應線圈之儲能元件；以及一磁性元件，當該磁性元件和該感應線圈間有相對運動，該感應線圈會產生感應電動勢，並對該儲能元件充電。
  2. 如請求項1所述之傳輸電能至隱形眼鏡之系統，其中該磁性元件包括一能產生磁力線之材料。
  3. 如請求項1所述之傳輸電能至隱形眼鏡之系統，其中該隱形眼鏡包括一透明基材，又該生理訊號感測元件、該感應線圈及該儲能元件係嵌埋於該透明基材內。
  4. 如請求項1所述之傳輸電能至隱形眼鏡之系統，其中該感應線圈亦為一傳輸無線訊號之天線。
  5. 如請求項4所述之傳輸電能至隱形眼鏡之系統，其另包含一接收分析裝置，該接收分析裝置係用於接受並分析該天線之無線訊號。
  6. 如請求項5所述之傳輸電能至隱形眼鏡之系統，其中該接收分析裝置係一已安裝特定軟體或應用程式之電腦、一智慧型手機或一智慧型手錶。
  7. 如請求項1所述之傳輸電能至隱形眼鏡之系統，其中該生理訊號感測元件係用以量測眼睛之眼壓、濕度、溫度、酸鹼度或淚液之成分。
  8. 如請求項1所述之傳輸電能至隱形眼鏡之系統，其中該隱形眼鏡另包含一電源管理電路，該電源管理電路對該感應電動勢進行整流、限流及穩壓，並將處理後之電流充電至該 儲能元件。
  9. 如請求項1所述之傳輸電能至隱形眼鏡之系統，其中該隱形眼鏡另包含一訊號收發及處理電路，其包括：一訊號讀取電路，擷取該生理訊號感測元件所產生之電氣訊號；一處理器，轉換該電氣訊號為處理的訊號；一調變器，改變該感應線圈之阻抗狀態以切換該感應線圈產生該感應電動勢、收集來自外部之高頻無線訊號或向外部傳送無線訊號，並能將該處理的訊號轉換成高頻訊號以供該感應線圈向外部傳送；以及一解調變器，接受該感應線圈所收集來自外部之該高頻無線訊號，並將該高頻無線訊號還原成低頻訊號並輸出至該處理器。
  10. 如請求項1所述之傳輸電能至隱形眼鏡之系統，其中該儲能元件係一電容、一電感或一電池。
  11. 一種傳輸電能至隱形眼鏡之方法，包含：提供一包括感應線圈之隱形眼鏡及一磁性元件；以及使該磁性元件和該感應線圈間有相對運動，以致該感應線圈產生感應電動勢。
  12. 如請求項11所述之傳輸電能至隱形眼鏡之方法，其中該磁性元件包括一能產生磁力線之材料。
  13. 如請求項11所述之傳輸電能至隱形眼鏡之方法，其中該隱形眼鏡包括至少一個生理訊號感測元件及一電性連接至該生理訊號感測元件及該感應線圈之儲能元件。
  14. 如請求項13所述之傳輸電能至隱形眼鏡之方法，其另包含對該感應電動勢進行整流、限流及穩壓，並將處理後之電 流充電至該儲能元件的步驟。
  15. 如請求項13所述之傳輸電能至隱形眼鏡之方法，其中該隱形眼鏡包括一透明基材，又該生理訊號感測元件、該感應線圈及該儲能元件係嵌埋於該透明基材內。
  16. 如請求項11所述之傳輸電能至隱形眼鏡之方法，其中該感應線圈亦為一傳輸無線訊號之天線。
  17. 如請求項16所述之傳輸電能至隱形眼鏡之方法，其另包含接受並分析該天線之無線訊號的步驟。
  18. 一傳輸電能至隱形眼鏡之系統，包含：一隱形眼鏡，包括至少一個耗能元件及一感應線圈；以及一磁性元件，當該磁性元件和該感應線圈間有相對運動，該感應線圈會產生感應電動勢；其中該感應電動勢係作為該生理訊號感測元件之電力。
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