具有瞳孔会聚传感器的电子式眼科透镜的制作方法
【专利摘要】本文描述了一种瞳孔位置和会聚检测系统，所述瞳孔位置和会聚检测系统用于包括电子系统的眼科透镜。所述瞳孔位置和会聚检测系统是被结合到所述眼科透镜中的电子系统的一部分。所述电子系统包括一个或多个电池或其他电源、电力管理电路、一个或多个传感器、时钟产生电路、控制算法和电路、以及透镜驱动器电路。所述瞳孔位置和会聚检测系统被用于确定瞳孔位置，并且该信息被用于控制所述眼科透镜的多个方面。
【专利说明】具有瞳孔会聚传感器的电子式眼科透镜
【背景技术】
[0001]1.【技术领域】
[0002]本发明涉及动力式或电子式眼科透镜，所述动力式或电子式眼科透镜具有用于检测瞳孔会聚的传感器以及相关硬件和软件，并且更具体地讲，涉及动力式或电子式眼科透镜，所述动力式或电子式眼科透镜包括用于检测瞳孔位置和会聚以改变动力式或电子式眼科透镜状态的传感器以及相关硬件和软件。
[0003]2.相关领域讨论
[0004]随着电子装置持续小型化，变得越来越有可能产生用于多种用途的可佩戴的或可嵌入式微电子装置。这样的用途可包括监测身体化学性质的各方面、响应于测量或者响应于外部控制信号经由多种机械装置(包括自动地)施用受控剂量的药物或治疗剂、以及增强器官或组织的性能。这样的装置的实例包括葡萄糖输注泵、起搏器、去纤颤器、心室辅助装置和神经刺激器。一种新的特定可用领域的应用在于眼科可佩戴透镜和接触透镜。例如，可佩戴透镜可结合透镜组件，该透镜组件具有电子可调节焦点以增强或提高眼的性能。在另一个例子中，无论具有还是不具有可调式焦距，可佩戴的接触透镜都可包含电子传感器以检测角膜前(泪)膜中特定化学物质的浓度。在透镜组件中使用嵌入式电子器件会引入如下潜在的需求:需要与电子器件通信，需要一种对这些电子器件供电和/或重新供能的方法，需要将电子器件互连，需要内部和外部传感和/或监视，以及需要控制电子器件和透镜的总体功能。
[0005]人眼具有辨别上百万种颜色的能力、易于调节以改变光照条件的能力、以及以超过高速互联网连接的速率将信号或信息传输到大脑的能力。当前，透镜诸如接触透镜和眼内透镜被用来矫正视力缺陷，诸如近视(近视眼)、远视(远视眼)、老花眼和散光。然而，结合附加部件的适当地设计的透镜可用来提高视力以及矫正视力缺陷。
[0006]接触透镜可用于矫正近视、远视、散光以及其他视觉灵敏度缺陷。接触透镜也可用于增强佩戴者的眼睛的自然外观。接触透镜或“触体”只是放置在眼睛的前表面上的透镜。接触透镜被视为医疗装置并且可被佩戴以矫正视力和/或用于美容或其他治疗原因。自20世纪50年代起，市场上就可购买到改善视力的接触透镜。早期的接触透镜由硬性材料构成或制成，相对较为昂贵并且易碎。此外，这些早期的接触透镜由如下材料制成，所述材料不允许足够的氧气穿过接触透镜传输到结膜和角膜，由此可潜在地引起许多不良临床效应。尽管仍使用这些接触透镜，但它们因其不良的初始舒适度而并不适用于所有患者。该领域的后续发展产生了基于水凝胶的软性接触透镜，所述软性接触透镜在当今为极其流行且被广泛应用。具体地讲，当今可用的有机硅水凝胶接触透镜将具有极高透氧度的有机硅的有益效果与水凝胶的经证实的舒适度和临床性能结合在一起。本质上，与由早期硬性材料制得的接触透镜相比，这些基于有机硅水凝胶的接触透镜具有较高的透氧度并且通常具有较高的佩戴舒适度。
[0007]常规的接触透镜为聚合物结构，具有特定的形状，以便主要如上所述地矫正各种视力问题。为了获得增强的功能，各种电路和部件必须集成到这些聚合物结构中。例如，控制电路、微处理器、通信装置、电源、传感器、致动器、发光二极管和微型天线可经由定制的光电组件被集成到接触透镜中以不仅矫正视力，而且提高视力，以及提供如本文所解释的附加的功能。电子式和/或动力式接触透镜可被设计成经由放大和缩小能力或者仅只是通过改变透镜的屈光力来提供增强的视力。电子式和/或动力式接触透镜可被设计成增强颜色和分辨率、显示纹理信息、将语音实时转变为字幕、提供导航系统的视觉提示、以及提供图像处理和互联网接入。透镜可被设计成允许佩戴者在低光照条件下视物。在透镜上适当设计的电子器件和/或电子器件布置可允许例如在没有可变焦距光学透镜的情况下将图像投射到视网膜上，提供新型图像显示装置，以及甚至提供唤醒警示。作为另一种选择或者除了这些功能或相似功能中任一种之外，接触透镜可结合有用于非入侵地监测佩戴者的生物表征的部件和健康指示器。例如，通过分析泪液膜的成分，构建到透镜中的传感器可允许糖尿病患者监视血糖水平，而不需要抽血。此外，适当构造的透镜可结合用于监测胆固醇、钠和钾水平的传感器、以及其他生物标记物。这与无线数据发送器联接可允许医师几乎立即得到患者的血液化学性质，而不需要患者浪费时间去实验室并进行抽血。此外，可利用内置于透镜中的传感器来检测入射到眼睛上的光以补偿环境光照条件或者用于确定眨眼模式。
[0008]装置的适当组合可能产生潜在的无限功能；然而，将额外的组件结合到一片光学级聚合物上存在许多相关联的困难。通常，由于多种原因，使得难以在透镜上直接制造这样的部件，并且难以将平面装置安装和互连在非平面表面上。还难以按比例制造。待放置在透镜上或透镜中的部件需要小型化且集成到仅仅1.5平方厘米的透明聚合物上，同时保护这些部件不受眼上液体环境的影响。由于附加部件的增加的厚度，使得还难以制造对于佩戴者而言舒适且安全的接触透镜。
[0009]考虑到诸如接触透镜的眼科装置的面积和体积限制以及其使用环境，装置的物理实现必须克服多个问题，包括将多个电子部件安装和互连在非平面表面上，这些电子部件的大多数包括光学塑料。因此，需要提供机械稳固和电气稳固的电子接触透镜。
[0010]由于这些是动力式透镜，因而考虑到在眼科透镜规模上的电池技术，用于驱动电子器件的能量或更具体地讲电流消耗是一个关切的问题。除正常的电流消耗外，该性质的动力式装置或系统一般需要待机电流储备，需要具有精确的电压控制和切换能力以确保在潜在的许多种工作参数条件下工作，并且需要在可能保持闲置多年之后进行突然的电流消耗(例如在单次充电后长达十八(18)个小时的消耗)。因此，需要一种在提供所需电力的同时在低成本、长期可靠的服务、安全以及尺寸方面最优化的系统。
[0011]此外，由于与动力式透镜相关联的功能复杂度以及构成动力式透镜的所有组件之间的高的相互作用水平，需要协调和控制构成动力式眼科透镜的电子器件和光学器件的总体操作。因此，需要一种系统以控制所有其他组件的操作，所述系统安全、低成本且可靠，具有低的能量消耗速率并且尺寸可被缩小成能被结合到眼科透镜中。
[0012]动力式或电子式眼科透镜可能必须考虑到利用所述动力式或电子式眼科透镜的个体的某些独特生理机能。更具体地讲，动力式透镜可能必须考虑到眨眼，包括在给定时间周期中的眨眼次数、眨眼的持续时间、各次眨眼之间的时间以及任何数目的可能的眨眼模式，例如如果所述个体正在打瞌睡。眨眼检测也可被用于提供某些功能，例如可利用眨眼作为控制动力式眼科透镜的一个或多个方面的手段。另外，在确定眨眼时，必须考虑到外部因素，例如光强度水平的改变、以及人的眼睑所阻挡的可见光的量。例如，如果房间中的照明水平介于五十四(54)和一百六十一(161)勒之间，则光传感器应足够灵敏地检测在人眨眼时发生的光强度的改变。
[0013]环境光传感器或光传感器被用于许多系统和产品中，例如用于电视中以根据房间光照来调节亮度、用于灯中以在黄昏时开启、以及用于电话中以调节屏幕亮度。然而，这些当前使用的传感器系统对于被结合到接触透镜中而言不够小和/或不具有足够低的能量消耗。
[0014]还重要指出的是，可使用针对人眼的计算机视觉系统(例如被数字化至计算机中的照相机)来实现不同类型的眨眼检测器。在计算机上运行的软件可识别各种视觉模式，例如睁眼和闭眼。这些系统可被用于出于诊断和研究目的的眼科临床设置中。不同于上述检测器和系统，这些系统旨在在眼睛外使用并且是用于向眼睛看去而非从眼睛向外看。尽管这些系统并没有小到足以被结合到接触透镜中，但所利用的软件可与与动力式接触透镜结合工作的软件相似。这两种系统中的每一种均可包含人工神经网络的软件实现，所述人工神经网络从输入学习并相应地调节它们的输出。作为另外一种选择，可利用包含统计数据、其他自适应性算法、和/或信号处理的基于非生物的软件实现来形成智能系统。
[0015]因此，需要一种用于检测某些生理机能(例如眨眼)并根据传感器所检测到的眨眼序列的类型利用这些生理机能来激活和/或控制电子式或动力式眼科透镜的装置和方法。所用传感器的尺寸和构造必须适合用于接触透镜中。
[0016]作为另外一种选择，代替眨眼或除了眨眼之外的瞳孔会聚可被利用于在某些情况下控制接触透镜的功能。当个体聚焦在附近的物体上时，例如在阅读时，他/她的瞳孔发生会聚以将双眼的视线固定在同一位置上。这种现象根据系统的几何形状(即由双眼和聚焦区域形成的三角形)以及被带到特定的附近物体的注意力。这种效应用于设计眼镜、立体镜和相关器械以确保在注视附近的物体时视觉清楚舒适。这种效应还可在临床环境中进行监测，例如通过用照相机观察使用者的瞳孔位置并执行模式识别功能来记录瞳孔的位置。瞳孔会聚也可通过在眼镜用透镜中实施的相似照相机和检测系统来检测。
[0017]由于瞳孔会聚和对附近物体聚焦之间的相关性，瞳孔会聚可用于在电子式眼科透镜中触发动作，例如改变可变焦度光学器件的焦度以允许患有老花眼的个体聚焦在附近的物体上。
[0018]因此，需要一种用于检测某些生理机能(例如瞳孔会聚)并根据传感器所检测到的瞳孔会聚来利用这些生理机能来激活和/或控制电子式或动力式眼科透镜的装置和方法。所用的传感器优选地在尺寸和构造上被设计成可用于动力式或电子式接触透镜。
【发明内容】
[0019]根据本发明的具有瞳孔会聚传感器的电子式眼科透镜克服了上面所简要说明的与现有技术相关联的局限性。传感器检测瞳孔位置和会聚作为改变电子式眼科装置状态的便利方法，例如改变老花眼使用者的焦点。将传感器整合到接触透镜中，而不需要笨重的外部观察设备或眼镜用透镜。传感器系统具有要在接触透镜中实施所必需的低能耗和小尺寸。系统具有愉悦、自然使用所必需的信号调节和采样率。系统具有为避免假阳性和假阴性会聚检测所必需的信号调节和通信方法。[0020]根据一个方面，本发明涉及一种动力式眼科透镜。该动力式眼科透镜包括:接触透镜，所述接触透镜包括光学区和周边区；以及瞳孔位置和会聚检测系统，所述瞳孔位置和会聚检测系统被结合到接触透镜的周边区中，所述瞳孔位置和会聚检测系统包括传感器、通信装置、系统控制器、以及至少一个致动器，所述传感器用于确定瞳孔位置，所述通信装置配置成向被结合到第二接触透镜周边区中的至少第二瞳孔位置和会聚检测系统发送信息以及从所述至少第二瞳孔位置和会聚检测系统接收信息，所述系统控制器与传感器和通信装置协同配合并配置成根据来自传感器以及第二瞳孔位置和会聚检测系统的信息确定瞳孔位置和会聚并输出控制信号，所述至少一个致动器配置成接收输出控制信号并实现预定的功能。
[0021]根据另一个方面，本发明涉及一种动力式眼科透镜。该动力式眼科透镜包括:接触透镜；以及瞳孔位置和会聚检测系统，所述瞳孔位置和会聚检测系统被结合到所述接触透镜中，所述瞳孔位置和会聚检测系统包括传感器、通信装置、系统控制器、以及至少一个致动器，所述传感器用于确定瞳孔位置，所述通信装置配置成向被结合到第二接触透镜的周边区中的至少第二瞳孔位置和会聚检测系统发送信息以及从所述至少第二瞳孔位置和会聚检测系统接收信息，所述系统控制器与所述传感器和所述通信装置协同配合并配置成根据来自所述传感器以及所述第二瞳孔位置和会聚检测系统的信息确定瞳孔位置和会聚并输出控制信号，所述至少一个致动器配置成接收所述输出控制信号并实现预定的功能。
[0022]根据另一个方面，本发明涉及一种动力式眼科透镜。该动力式眼科透镜包括:眼内透镜；以及瞳孔位置和会聚检测系统，所述瞳孔位置和会聚检测系统被结合到所述接触透镜中，所述瞳孔位置和会聚检测系统包括传感器、通信装置、系统控制器、以及至少一个致动器，所述传感器用于确定瞳孔位置，所述通信装置配置成向被结合到第二接触透镜的周边区中的至少第二瞳孔位置和会聚检测系统发送信息以及从所述至少第二瞳孔位置和会聚检测系统接收信息，所述系统控制器与所述传感器和所述通信装置协同配合并配置成根据来自所述传感器以及所述第二瞳孔位置和会聚检测系统的信息确定瞳孔位置和会聚并输出控制信号，所述至少一个致动器配置成接收所述输出控制信号并实现预定的功能。
[0023]本发明涉及结合瞳孔位置和会聚检测系统的动力式或电子式眼科透镜。在调节的过程中，随着个体试图聚焦到近距离的物体上，晶状体几何形状通过睫状肌的作用而改变以增加其附加焦度(add power) 0在晶状体调节的同时，两种其他动作也在发生:即每只眼(瞳孔)略微朝着鼻子向内运动(会聚)，并且瞳孔稍微变小(瞳孔缩小)。晶状体的改变、会聚和瞳孔缩小通常称为调节反射。换句话讲，当个体聚焦在附近的物体上时，例如在阅读时，他或她的瞳孔会聚以将双眼的视线固定在同一位置上。该现象根据系统的几何形状，其为由双眼之间的距离和从每只眼到物体的距离形成的三角形。由于瞳孔会聚和对附近物体聚焦之间的相关性，瞳孔会聚可用于在电子式眼科透镜中触发动作，例如改变可变焦度光学器件的焦度以允许患有老花眼的个体聚焦在近距离的物体上。
[0024]本发明更一般地涉及一种包括电子系统的动力式接触透镜，所述电子系统执行任何数量的功能，包括致动可变焦距光学器件(如果包括的话)。所述电子系统包括一个或多个电池或其他电源、电力管理电路、一个或多个传感器、时钟产生电路、控制算法和电路、以及透镜驱动器电路。
[0025]对动力式眼科透镜的控制可通过以无线方式与透镜通信的手动操作式外部装置(例如手持式遥控单元)来实现。作为另外一种选择，对动力式眼科透镜的控制可通过直接来自于佩戴者的反馈信号或控制信号来实现。例如，内置于透镜中的传感器可检测眨眼和/或眨眼模式。根据眨眼模式或眨眼序列，为了聚焦于近处的物体或远处的物体上，动力式眼科透镜可改变状态，例如改变其屈光力。作为另外一种选择或除此之外，瞳孔会聚可用于改变动力式应用透镜的状态。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]下文是附图所示的本发明优选实施例的更为具体的说明，通过这些说明，本发明的上述及其他特征和优点将显而易见。
[0027]图1示出根据本发明某一实施例的包括眨眼检测系统的示例性接触透镜。
[0028]图2示出根据本发明的入射于眼睛的表面上的光与时间的关系的图示，其示出在各种光强度水平下所记录的可能的无意的眨眼模式与时间的关系以及根据最大和最小光强度水平之间的某一点的可用阈值水平。
[0029]图3是根据本发明的眨眼检测系统的示例性状态转变图。
[0030]图4是根据本发明的用于对所接收的光信号进行检测和采样的光检测路径的示意图。
[0031]图5是根据本发明的数字调节逻辑的方框图。
[0032]图6是根据本发明的数字检测逻辑的方框图。
[0033]图7是根据本发明的示例性时序图。
[0034]图8是根据本发明的数字系统控制器的示意图。
[0035]图9是根据本发明的用于自动增益控制的示例性时序图。
[0036]图10是根据本发明的示例性集成电路电路管芯上的光阻挡区域和光通过区域的示意图。
[0037]图11是根据本发明的用于动力式接触透镜的示例性电子插件(包括眨眼检测器)的示意图。
[0038]图12A是注视远处物体的个体的双眼的正面透视示意图。
[0039]图12B是图12A双眼的顶部透视示意图。
[0040]图13A是注视近处物体的个体的双眼的正面透视示意图。
[0041]图13B是图13A的双眼的顶部透视示意图。
[0042]图14是根据本发明的两个示例性瞳孔位置和会聚传感器的示意图，所述瞳孔位置和会聚传感器具有用于使两只眼睛之间的动作同步的通信信道。
[0043]图15A是根据本发明的被结合到接触透镜中的示例性瞳孔位置和会聚检测系统的示意图。
[0044]图15B是图15A的示例性瞳孔位置和会聚检测系统的放大视图。
[0045]图16是瞳孔会聚和焦距之间的示例性关系曲线图的示意图。
【具体实施方式】
[0046]常规的接触透镜为聚合物结构，具有特定的形状，以便主要如上所述地矫正各种视力问题。为了获得增强的功能，可将各种电路和组件集成到这些聚合物结构中。例如，控制电路、微处理器、通信装置、电源、传感器、致动器、发光二极管和微型天线可经由定制的光电组件被集成到接触透镜中以不仅矫正视力，而且提高视力，以及提供如本文所解释的附加的功能。电子式和/或动力式接触透镜可被设计成经由放大和缩小能力或者仅仅只是通过改变透镜的屈光力而提供增强的视力。电子式和/或动力式接触透镜可被设计成增强颜色和分辨率、显示纹理信息、将语音实时转变为字幕、提供导航系统的视觉提示、以及提供图像处理和互联网接入。透镜可被设计成允许佩戴者在低光照条件下视物。透镜上适当地设计的电子器件和/或电子器件布置可允许例如在没有可变焦点光学透镜的情况下将图像投射到视网膜上，提供新型图像显示装置，甚至提供唤醒警示。作为另一种选择或者除了这些功能或相似功能中任一种之外，接触透镜可结合有用于非入侵地监测佩戴者的生物表征的部件和健康指示器。例如，通过分析泪液膜的成分，构建到透镜中的传感器可允许糖尿病患者监视血糖水平，而不需要抽血。此外，适当构造的透镜可结合用于监测胆固醇、钠和钾水平的传感器、以及其他生物标记物。这与无线数据发送器结合可允许医师能够几乎立即得到患者的血液化学性质，而不需要患者浪费时间去实验室进行抽血。此外，可利用内置于透镜中的传感器来检测入射到眼睛上的光以补偿环境光照条件或者用于确定眨眼模式。
[0047]本发明的电力或电子接触透镜包括必要元件以矫正和/或提高具有一种或多种上述视力缺陷的患者的视力，或者以其他方式执行可用的眼科功能。此外，电子式接触透镜可只是用来增强正常的视力，或者提供如上所述的广泛种类的功能。电子接触透镜可包括可变焦点光学透镜，嵌入到接触透镜中的组装前光学部件，或者仅仅简单地嵌入任何合适功能性的电子器件而没有透镜。本发明的电子透镜可被结合到任何数量的上述接触透镜。此外，眼内透镜也可结合本文所述的各种组件和功能。然而，为了容易解释，本发明将集中于用于矫正视力缺陷的单次使用的日抛电子接触透镜。
[0048]本发明可用于包括电子系统的动力式眼科透镜或动力式接触透镜，所述电子系统用于致动可变焦距光学器件或任何其他配置成实现可被执行的任何数量的诸多功能的装置。所述电子系统包括一个或多个电池或其他电源、电力管理电路、一个或多个传感器、时钟产生电路、控制算法和电路、以及透镜驱动器电路。这些组件的复杂度可根据透镜所要求或所期望的功能而异。
[0049]对电子式或动力式眼科透镜的控制可通过与透镜通信的手动操作式外部装置(例如手持式遥控单元)来实现。例如，短表链可根据佩戴者的人工输入来与动力式透镜进行无线通信。作为另外一种选择，对动力式眼科透镜的控制可通过直接来自于佩戴者的反馈信号或控制信号来实现。例如，内置于透镜中的传感器可检测眨眼和/或眨眼模式。根据眨眼模式或眨眼序列，为了聚焦于近处的物体或远处的物体上，动力式眼科透镜可改变状态，例如改变其屈光力。
[0050]作为另外一种选择，动力式或电子式眼科透镜中的眨眼检测可用于其中在使用者与电子式接触透镜之间存在相互作用的各种其他用途，例如激活另一电子装置或向另一电子装置发送命令。例如，眼科透镜中的眨眼检测可与计算机上的照相机结合使用，其中照相机跟踪眼睛在计算机屏幕上运动的位置，并且当使用者执行眨眼序列且该眨眼序列被眨眼检测检测到时，引起鼠标指针执行命令，例如双击某一个项、高亮显示某一个项或选择菜单项。[0051]眨眼检测算法是系统控制器的组件，用于检测眨眼的特性，例如检测眼睑是张开的还是闭合的、眨眼的持续时间、两次眨眼之间的持续时间、以及在给定时间周期中的眨眼次数。根据本发明的算法是依赖于以某一采样速率对入射于眼睛上的光采样。存储预确定的眨眼模式，并与入射光样本的最近历史进行比较。当模式相匹配时，眨眼检测算法可触发系统控制器中的活动，例如以激活透镜驱动器以改变透镜的屈光力。
[0052]眨眼是指眼睑的快速闭合和张开，并且是眼睛的基本功能。眨眼能保护眼睛免受异物损伤，例如当有物体意外地出现在眼睛附近时，个体便会眨眼。眨眼能通过眼泪的展布而在眼睛的前表面上提供润滑。眨眼还能从眼睛移除的污染物和/或刺激物。正常情况下，眨眼是自动进行的，但外部刺激可能会导致眨眼，例如在存在刺激物的情况下。然而，眨眼也可能是有目的的，例如对于不能通过语言或通过手势进行交流的个体可通过眨眼一次来表示“是”、通过眨眼两次来表示“否”。本发明的眨眼检测算法和系统利用不会与正常眨眼响应相混淆的眨眼模式。换句话讲，如果要将眨眼用作控制动作的手段，则为给定动作所选择的特定模式便不会无规地出现；否则可能出现无意的动作。由于眨眼速度可受到若干因素(包括疲劳、眼睛受伤、用药和疾病)的影响，用于控制目的的眨眼模式优选地考虑到这些因素以及任何其他影响眨眼的变量。无意眨眼的平均长度在约一百(100)至四百(400)毫秒的范围内。一般的成年男人和女人以每分钟十(10)次无意眨眼的速率眨眼，并且两次无意眨眼之间的平均时间是0.3秒至七十(70)秒。
[0053]可将眨眼检测算法的示例性实施例归纳在以下步骤中:
[0054]1.定义使用者将执行的有意的“眨眼序列”以用于积极的眨眼检测。
[0055]2.以与所述眨眼序列的检测相符合的速率对入射光水平采样并剔除无意的眨眼。
[0056]3.将采样的光水平的历史与预期的“眨眼序列”进行比较，所述“眨眼序列”由数值构成的眨眼模板来定义。
[0057]4.任选地，实施眨眼“遮罩”序列以指示在比较期间所要忽略的模板的部分，例如近处的转变。这可允许使用者偏离所期望的“眨眼序列”，例如加一或减一(I)错误窗口，其中可能出现以下中的一者或多者:透镜激活、控制以及焦距改变。另外，这可允许改变眨眼序列的使用者时序。
[0058]示例性的眨眼序列可定义如下:
[0059]1.眨眼(闭合)0.5s
[0060]2.睁开 0.5s
[0061]3.眨眼(闭合)0.5s
[0062]在一百(100)ms的采样速率下，二十(20)个样本的眨眼模板表示为:
[0063]眨眼模板(blink_template)= [I, I, I,O,O,O,O,O, I, I, I, I, I,O,O,O,O,O, I, I]。
[0064]眨眼遮罩被定义为将在跃迁之后立即出现的样本遮去(O用于遮去或忽略样本)，并且表示为:
[0065]眨眼遮罩(blink_mask)= [I, I, I,O, I, I, I, I,O, I, I, I, I,O, I, I, I, I,O, I]。
[0066]任选地，可遮去更宽的跃迁区域以允许更大的时序不确定性，并且表示为:
[0067]眨眼遮罩(blink_mask)= [1，1，0，0，1，1，1，0，0，1，1，1，0，0，1，1，1，0，0，I]。
[0068]可实施替代的模式，例如单次长的眨眼，在这种情况下是具有24个样本的模板的
1.5s眨眼，表示为:[0069]眨眼模板(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]。
[0070]重要的是应注意:上述例子只用于示例性目的，而并不代表具体的一组数据。
[0071]可通过将样本历史与模板和遮罩进行逻辑比较来实现检测。逻辑运算是逐位地对模板和样本历史序列进行异或(XOR)运算，然后验证所有未被遮罩的历史位与模板相匹配。例如，如在以上眨眼遮罩样本中所示，在眨眼遮罩的序列的值为逻辑I的每个位置上，眨眼必须与所述序列的该位置上的眨眼遮罩模板相匹配。然而，在眨眼遮罩的序列的值为逻辑O的每个位置上，不需要眨眼与所述序列的该位置上的眨眼遮罩模板相匹配。例如，可利用如在MATL中编码的以下布林算法方程。
[0072]matched = not(blink_mask) not(xor(blink_template, test_sample))，
[0073]其中test_sample是样本历史。匹配值是与眨眼模板、样本历史以及blink_mask具有相同长度的序列。如果匹配序列全部为逻辑1，则已出现了良好匹配。将其分解，not (xor (blink_template, test_sample))对每处失配均得出逻辑O,并且对每处匹配均得出逻辑I。与反相遮罩进行逻辑或运算迫使匹配序列中的每个位置在遮罩为逻辑O之处变成逻辑I。因此，在眨眼遮罩模板中，该处值被规定为逻辑O的越多，与人的眨眼相关联的错误容限就越大。用于数值计算、可视化和编程的一种高级语言和具体实施形式，并且是位于美国马萨诸塞州的Natick的MathWorks公司的产品。还重要的是应注意:眨眼遮罩模板中逻辑O的数目越大，则与预期的或所希望的眨眼模式相匹配的误报的可能性越大。应当理解，可将各种预期的或希望的眨眼模式编程到装置中，其中每次有一个或多个眨眼模式是现用的。更具体地讲，可将多个预期的或希望的眨眼模式用于同一目的或功能、或者用于实现不同的或替代的功能。例如，可利用一个眨眼模式使所希望的物体上的透镜拉近或拉远，同时可利用另一眨眼模式使透镜上的另一装置(例如泵)来递送一剂治疗剂。
[0074]图1以方框图形式示出根据本发明示例性实施例的接触透镜100，所述接触透镜包括电子眨眼检测器系统。在该示例性实施例中，电子眨眼检测器系统可包括光传感器102、放大器104、模数转换器或ADC106、数字信号处理器108、电源110、致动器112和系统控制器114。
[0075]当接触透镜100放置于使用者眼睛的前表面上时，可利用眨眼检测器系统的电子电路来实现本发明的眨眼检测算法。光传感器102以及其他电路配置成检测眨眼和/或由使用者的眼睛作出的各种眨眼模式。
[0076]在该示例性实施例中，光传感器102可被嵌入接触透镜100中并接收环境光101，由此将入射光子转换成电子并从而产生电流(由箭头103指示)以流入放大器104中。光传感器或光检测器102可包括任何适合的装置。在一个示例性实施例中，光传感器102包括光二极管。在优选的示例性实施例中，光二极管被构建于互补金属氧化物半导体(CMOS加工技术)中以增大集成能力并减小光传感器102和其他电路的总体尺寸。电流103与入射光水平成正比，并在光检测器102被眼睑覆盖时显著减小。放大器104产生与输入成正比的放大的输出，并可用作将输入电流转换成输出电压的转阻抗放大器。放大器104可将信号放大到可供系统的其余部分使用的水平，例如使信号具有足够的电压和功率以被ADC106采集。例如，放大器可能是驱动后续区块所需的，因为光传感器102的输出可能相当小并可能在低光照环境中使用。放大器104可被实现为可变增益放大器，其增益可由系统控制器114以反馈布置方式调整以使系统的动态范围最大化。除提供增益外，放大器104还可包括其他模拟信号调节电路，例如适合于光传感器102和放大器104的输出的滤波电路和其他电路。放大器104可包括任何适用于放大和调节由光传感器102输出的信号的装置。例如，放大器104可只是包括单个运算放大器或者包括一个或多个运算放大器的更复杂的电路。如上文所述，光传感器102和放大器104配置成根据通过眼睛所接收的入射光强度来检测和分离眨眼序列，并将输入电流转换成最终可由系统控制器114使用的数字信号。系统控制器114优选地被预编程或预配置以在各种光强度水平条件下识别各种眨眼序列和/或眨眼模式，并向致动器112提供适合的输出信号。系统控制器114还包括相关联的存储器。
[0077]在该示例性实施例中，ADC106可用于将从放大器104输出的连续的模拟信号转换成适合于进一步信号处理的米样的数字信号。例如，ADC106可将从放大器104输出的模拟信号转换成可供后续或下游电路(例如数字信号处理系统或微处理器108)使用的数字信号。数字信号处理系统或数字信号处理器108可用于数字信号处理，包括以下中的一者或多者:滤波、处理、检测、以及以其他方式操纵/处理采样的数据以允许供下游使用的入射光检测。数字信号处理器108可预编程有上述的眨眼序列和/或眨眼模式。数字信号处理器108还包括相关联的存储器。数字信号处理器108可利用模拟电路、数字电路、软件、或它们的组合来实施。在所示示例性实施例中，数字信号处理器108被构建于数字电路中。ADC106以及相关联的放大器104和数字信号处理器108是以与前述采样速率一致的适合的速率激活的，例如每一百(100)ms激活一次。
[0078]电源110为构成眨眼检测系统的诸多组件供电。电力可由电池、能量采集器、或本领域中的普通技术人员之一所知的其他适合的手段提供。实质上，可利用任何类型的电源110来为系统的所有其他组件提供可靠的电力。可利用眨眼序列来改变系统和/或系统控制器的状态。此外，系统控制器114可根据来自数字信号处理器108的输出来控制动力式接触透镜的其他方面，例如通过致动器112来改变电子控制式透镜的焦距或屈光力。
[0079]系统控制器114使用来自光传感器链(即光传感器102、放大器104、ADC106和数字信号处理系统108)的信号以将采样的光水平与眨眼活动模式进行比较。参见图2，其示出在各种光强度水平下所记录的眨眼模式样本与时间和可用阈值水平的示意图。因此，通过考虑到各种因素，可减少和/或防止在对入射于眼睛上的光采样时的眨眼检测错误，例如考虑到在不同位置和/或在执行各种活动时光强度水平的改变。另外，当对入射于眼睛上的光采样时，通过考虑到环境光强度的改变可能对眼睛和眼睑造成的影响，也可减少和/或防止眨眼检测错误，例如在低强度光水平和高强度光水平下当眼睑闭合时眼睑阻挡多少可见光。换句话讲，为防止利用错误的眨眼模式进行控制，优选地应考虑环境光的水平，这将在下文进行更详细的解释。
[0080]例如在研究中，已发现眼睑平均能阻挡约百分之九十九(99)的可见光，但在较短的波长处，透射过眼睑的光趋于越少，从而阻挡约99.6%的可见光。在朝向光谱的红外线部分的较长波长处，眼睑可阻挡仅百分之三十(30)的入射光。然而，重要的是应注意，不同频率、波长和强度的光可能以不同的效率透射过眼睑。例如，当注视亮的光源时，个体可在他或她的眼睑闭合时看到红色光。根据个体(例如个体的皮肤色素沉着)，在眼睑阻挡多少光上也可能存在变化。如图2所示，在七十(70)秒的时间间歇中模拟眨眼模式在各种光照水平下的数据样本，其中在模拟过程中记录透射过眼睛的可见光强度水平，并示出可使用的阈值。阈值被设定为处于在模拟过程中在不同的光强度水平下针对样本眨眼模式所记录的可见光强度的峰峰值之间的值。在跟踪光水平随时间的平均值并调节阈值的同时具有对眨眼模式进行预编程的能力对于能够检测某个个体何时眨眼而言可能非常重要，这与个体不眨眼时和/或仅在某一区域中存在光强度水平改变时不同。
[0081]现在再次参见图1，在其他替代的示例性实施例中，系统控制器114可从包括以下中的一者或多者的源接收输入:眨眼检测器、眼睛肌肉传感器、以及短表链控制装置。一般而言，对于本领域中的技术人员可能显而易见的是，激活和/或控制系统控制器114的方法可能需要使用一种或多种激活方法。例如，电子式或动力式接触透镜可针对个体使用者编程，例如对透镜编程以识别个体的眨眼模式和个体的睫状肌两者在执行各种动作时的睫状肌信号，例如在聚焦于远处的物体或者聚焦于近处的物体上时。在某一示例性实施例中，使用多于一种方法激活电子式接触透镜(例如眨眼检测和睫状肌信号检测)可提供在激活接触透镜之前使每种方法相互交叉检查的能力。交叉检查的优点可包括消除误报，例如使无意间触发透镜而激活的机率最小化。在一个示例性实施例中，交叉检查可涉及投票方案，其中在进行任何动作之前满足某一数量的条件。
[0082]致动器112可包括用于根据所接收命令信号来实现特定动作的任何适合的装置。例如，如果眨眼活动模式如上文所述与采样的光水平相比较是匹配的，则系统控制器114可启用致动器112，例如可变光学电子式或动力式透镜。致动器112可包括电气装置、机械装置、磁性装置、或它们的任何组合。除从电源110接收电力外，致动器112还从系统控制器114接收信号，并根据来自系统控制器114的信号产生某一动作。例如，如果系统控制器114的信号表明佩戴者正在试图聚焦于近处的物体上，则可利用致动器112改变电子式眼科透镜的屈光力，例如经由动态多液体光学区。在替代的示例性实施例中，系统控制器114可输出指示应向眼睛递送治疗剂的信号。在该示例性实施例中，致动器112可包括泵和贮存器，例如微机电系统(MEMS)泵。如上所述，本发明的动力式透镜可提供多种功能，因此，一个或多个致动器可被以不同方式构造以实现所述功能。
[0083]图3示出根据本发明的眨眼检测算法的用于示例性眨眼检测系统的状态转变图300。系统在开始时处于IDLE状态302，等待致能信号bl_go被置位。当致能bl_go信号被置位时，例如通过与眨眼采样速率相当的以一百(lOO)ms速率施加脉冲bl_go的振荡器和控制电路，状态机接着转变至WAIT_ADC状态304，在该状态中，ADC被致能以将所接收的光水平转换成数字值。ADC将adC_done信号置位以指示其操作已完成，并且系统或状态机转变至SHIFT状态306。在SHIFT状态306中，系统将最新接收的ADC输出值推至移位寄存器中以保存眨眼样本的历史。在某一示例性实施例中，为了使存储要求最小化，首先将ADC输出值与阈值进行比较以向样本值提供单个位(I或O)。系统或状态机接着转变至COMPARE状态308，在此状态中，如上文所述将样本历史移位寄存器中的值与一个或多个眨眼序列模板和遮罩进行比较。如果检测到匹配，则可将一个或多个输出信号置位(例如置为I)以切换透镜驱动器的状态bl_cp_toggle或待由动力式眼科透镜执行的任何其他功能。系统或状态机接着转变至DONE状态310，并将bl_done信号置位以指示其操作完成。
[0084]图4示出了可用于对所接收光水平进行检测和采样的示例性光传感器或光检测器信号路径pd_rx_top。信号路径pd_rx_top可包括光二极管402、转阻抗放大器404、自动增益和低通滤波级406(AGC/LPF)、以及ADC408。adc_vref信号从电源110(参见图1)输入到ADC408，或者作为另外一种选择，其可由模数转换器408内的专用电路提供。ADC408的输出adc_data被传送到数字信号处理和系统控制器区块108/114(参见图1)。尽管为易于解释起见在图1中分别被示出为个体区块108和114，然而数字信号处理和系统控制器优选地被构建于单个区块410上。致能信号adc_en、起动信号adc_start以及复位信号adc_rst_η是从数字信号处理和系统控制器410接收的，同时完成信号adc_c0mplete被传送到数字信号处理和系统控制器410。时钟信号adc_clk可从位于信号路径pd_rx_top外的时钟源接收的，或者从数字信号处理和系统控制器410接收。重要的是应注意，adc_clk信号和系统时钟可以不同频率运行。还重要的是应注意，根据本发明可使用任何数量的不同ADC，这些ADC可具有不同的界面和控制信号，但其执行相似的功能:提供光传感器信号路径的模拟部分的输出的采样的数字表示。光检测致能信号Pd_en以及光检测增益pd_gain是从数字信号处理和系统控制器410接收的。
[0085]图5示出可用于将所接收的ADC信号值adc_data减小至单个位的值pd_data的数字调节逻辑500的方框图。数字调节逻辑500可包括数字寄存器502以从光检测信号路径pd_rx_top接收数据adc_data,从而在信号adc_data_held上提供保持值。数字寄存器502配置成在adc_complete信号被置位时在adc_data信号上接收新的值,并且在接收到adC_COmplete信号时保持最后接收的值。这样，一旦所述数据被锁存，系统便可禁用光检测信号路径以降低系统的电流消耗。接着，可在阈值产生电路504中通过实施于数字逻辑中的积分加清除平均或其他平均方法对所保持的数据值进行平均以在信号pd_th上产生一个或多个阈值。接着，可通过比较器506对所保持的数据值与所述一个或多个阈值进行比较以在信号pd_data上产生一位数据值。应当理解，所述比较运算可利用滞后或与一个或多个阈值的比较以使输出信号pd_data上的噪声最小化。数字调节逻辑可还包括增益调节区块pd_gain_adj508以根据所计算的阈值和/或根据所保持的数据值通过图4所示的信号pd_gain在光检测信 号路径中设定自动增益和低通滤波级406的增益。重要的是应注意，在该示例性实施例中，六位的字能在眨眼检测的动态范围内提供足够的分辨率，同时使复杂度最小化。
[0086]在一个例性实施例中，阈值产生电路504包括峰值检测器、谷值检测器和阈值计算电路。在该示例性实施例中，可如下文所述产生阈值和增益控制值。峰值检测器和谷值检测器配置成接收信号adc_data_held上的保持值。峰值检测器还配置成提供输出值pd_pk,输出值pd_pk能快速地跟踪adc_data_held值的增大并在adc_data_held值减小时缓慢衰减。该操作类似于在电气【技术领域】中众所周知的传统二极管包络线检测器的操作。谷值检测器还配置成提供输出值pd_vl,输出值pd_vl能快速地跟踪adc_data_held值的减小并在adc_data_held值增大时缓慢地衰减至更高的值。谷值检测器的操作也类似于二极管包络线检测器，其中放电电阻器被连接至正电源电压。阈值计算电路配置成接收pd_pl值和pd_vl值,并且还配置成根据pd_pk值和pd_vl值的平均来计算中点阈值pd_th_mid。阈值产生电路504根据中点阈值pd_th_mid来提供阈值pd_th。
[0087]阈值产生电路504可还能够响应于pd_gain值的改变来更新pd_pk水平和pd_vl水平的值。如果pd_gain值增大一个步长,则pd_pk和pd_vl值增大一个因数,所述因数等于光检测信号路径的预期增益增大值。如果pd_gain值减小一个步长，则pd_pk值和pd_val值减小一个因数，所述因数等于光检测信号路径的预期增益减小值。这样，分别在pd_Pk值和pd_vl值中所保持的峰值检测器和谷值检测器的状态、以及根据pd_pk值和pd_vl值计算出的阈值Pd_th被更新以与信号路径增益的改变相匹配，从而避免仅根据光检测信号路径增益的有意改变所得到的状态或值的不连续性或其他改变。
[0088]在阈值产生电路504的另一示例性实施例中，阈值计算电路可还配置成根据pd_pk值的比例或百分比来计算阈值pd_th_pk。在优选的示例性实施例中，pd_th_pk可有利地被配置成pd_pk值的八分之七，其计算可通过简单的右移三位和减法来实现，如在本领域中众所熟知。阈值计算电路可将阈值pd_th选择成pd_th_mid和pd_th_pk中的较小者。这样，pd_th值将永远不等于pd_pk值，即使是在恒定的光长时期入射于光二极管上(这可能会导致pd_pk值和pd_vl值相等)之后。应当理解，pd_th_pk值确保在长的间歇之后能检测到眨眼。阈值产生电路的行为进一步示出于图9中，这将在下文进行论述。
[0089]图6示出了根据本发明实施例的可用于实现示例性数字眨眼检测算法的数字检测逻辑600的方框图。数字检测逻辑600可包括移位寄存器602，移位寄存器602能够从光检测信号路径pd_rX_top (图4)接收数据，或者从数字调节逻辑(图5)接收数据，如此处在具有一位值的信号pd_data上所示。移位寄存器602在此处将接收的样本值的历史保持于24位寄存器中。数字检测逻辑600还包括比较区块604，该比较区块能够接收样本历史以及一个或多个眨眼模板bl_tpl和眨眼遮罩bl_mask，并且数字检测逻辑600配置成在一个或多个输出信号上指示与所述一个或多个模板和遮罩的匹配，所述一个或多个输出信号可被保持以供后用。比较区块604的输出通过D型触发器606进行锁存。数字检测逻辑600还可包括计数器608或其他逻辑以抑制由于遮罩操作引起的以小的移位对同一样本历史集合进行的连续比较。在优选的示例性实施例中，在发现确实匹配之后将样本历史清除或复位，因而需要采样完整的、新的匹配眨眼序列才能再识别后续匹配。数字检测逻辑600还可包括状态机或相似控 制电路以向光检测信号路径和ADC提供控制信号。在某一示例性实施例中，控制信号可由与数字检测逻辑600分开的控制状态机产生。该控制状态机可为数字信号处理和系统控制器410的一部分。
[0090]图7示出了从眨眼检测子系统向在光检测信号路径中所用的ADC408(图4)提供的控制信号的时序图。致能信号和时钟信号adc_en、adc_rst_r^P adc_clk是在样本序列开始时被激活的，并持续至模数转换过程完成为止。在一个示例性实施例中，ADC转换过程是当在adc_start信号上提供脉冲时开始的。ADC输出值被保持于adc_data信号中，并且过程的结束是由模数转换器逻辑在adc_c0mplete信号上指示的。在图7中还示出了 pd_gain信号，所述信号用于设定ADC之前的放大器的增益。该信号被显示为在暖机时间(warm-uptime)之前被设定以使模拟电路偏压和信号水平在转换之前达到稳定。
[0091]图8示出了包括数字眨眼检测子系统dig_blink802的数字系统控制器800。数字眨眼检测子系统dig_blink802可由主状态机dig_master804控制并可能够从位于数字系统控制器800外的时钟产生器clkgen806接收时钟信号。数字眨眼检测子系统dig_blink802可能够向如上文所述的光检测子系统提供信号以及从光检测子系统接收信号。除包括用于控制眨眼检测算法中的运算序列的状态机之外，数字眨眼检测子系统dig_blink802还可包括上文所述的数字调节逻辑和数字检测逻辑。数字眨眼检测子系统dig_blink802可能够从主状态机804接收致能信号，并向主状态机804提供完成或结束指示以及眨眼检测指示。
[0092]图9提供了波形(图9A-9G)以示出阈值产生电路和自动增益控制(图5)的操作。图9A示出了由可响应于不同光水平的光二极管提供的光电流与时间的关系的例子。在曲线图的第一部分中，与在曲线图的第二部分中相比，光水平和所得的光电流相对较低。在曲线图的第一部分和第二部分两者中，均看到有两次眨眼以减小光和光电流。应注意，由眼睑造成的光的衰减可能不是百分之一百(100)，而是较低的值，该值取决于眼睑对入射于眼睛上的光波长的透射特性。图9B示出了响应于图9A的光电流波形而捕获的adc_data_held值。为简明起见，adc_data_held值被示出为连续的模拟信号而不是一系列离散的数字样本。应当理解，数字样本值将对应于图9B中在对应样本时刻所示的水平。在曲线图顶部和底部处的虚线指示adc_data信号和adc_data_held信号的最大值和最小值。最小和最大值之间的范围也称为adc_data信号的动态范围。如下文所述，在曲线图第二部分中的光检测信号路径增益是不同的(较低)。一般而言，adc_data_held值与光电流成正比，并且增益改变仅影响比例性的比率或常数。图9C示出了由阈值产生电路响应于adc_data_held值而计算的pd_pk、pd_vl和pd_th_mid值。图9D示出了在阈值产生电路的某一示例性实施例中响应于adc_data_held值而计算的pd_pk、pd_vl和pd_th_pk值。应注意，pd_th_pk值始终是pd_pk值的某一比例。图9E示出了 adc_data_held值以及pd_th_mid和pd_th_pk值。应注意,在其中adc_data_held值相对恒定的长时间周期中，随着pd_vl值衰减至同一水平，pd_th_mid值变得等于adc_data_held值。pd_th_pk值始终保持低于adc_data_held值某一量。在图9E中还示出了 pd_th的选择,其中将pd_th值选择为pd_th_pk和pd_th_mid中的较小者。这样，阈值始终被设定为距pd_pk值某一距离,从而避免因光电流信号和adc_data held信号上的噪声而导致pd_data上出现误跃迁。图9F示出了通过将adc_data_held值与pd_th值进行比较而产生的pd_data值。应注意，pd_data信号是双值信号，其在发生眨眼时较低。图9G示出了这些示例性波形的tia_gain值相对于时间的关系。tia_gain值被设定成当pd_th开始超过在图9E中被显示为agc_pk_th的高阈值时更低。应当理解，当pd_th开始下降至低于低阈值时，会发生相似的行为而使tia_gain升高。重新参见图9A至图9E中每一个的第二部分，tia_gain降低的效果很明显。尤其应注意,adc_data_held值保持于adc_data信号和adc_data_held信号的动态范围的中间附近。此外，重要的是应注意，如上文所述根据增益改变来更新pd_pk值和pd_vl值，从而在峰值和谷值检测器状态中避免只因光检测信号路径增益引起的不连续性。
[0093]图10示出了集成电路电路管芯1000上的示例性光阻挡部件和光通过部件。集成电路电路管芯1000包括光通过区域1002、光阻挡区域1004、焊盘1006、钝化开孔1008、以及光阻挡层开孔1010。光通过区域1002位于光传感器(未示出)上方，例如在半导体工艺中形成的光二极管阵列。在优选的示例性实施例中，光通过区域1002使尽可能多的光到达光传感器，从而使灵敏度最大化。这可通过除去感光器上方的多晶娃、金属、氧化物、氮化物、聚酰亚胺和其他层来完成，这在用于加工或后处理的半导体工艺中是允许的。光通过区域1002也可接受其他特殊处理以使光检测最大化，例如施加减反射涂层、滤光器、和/或漫射器。光阻挡区域1004可覆盖电路管芯上不需要进行曝光的其他电路。光电流可能会使其他电路的性能劣化，例如在如上文所述的被结合到接触透镜中所需的超低电流电路中使偏置电压和振荡器频率偏移。光阻挡区域1004优选地以薄的、不透明的反射材料形成，例如在半导体晶片处理和后处理中已经使用的铝或铜。如果与金属形成，则形成光阻挡区域1004的材料必须与下面的电路和焊盘1006绝缘以防止短路状况。此类绝缘可由已经作为正常晶片钝化物的一部分存在于电路管芯上的钝化物(例如氧化物、氮化物和/或聚酰亚胺)来提供或者以在后处理期间所加入的其他电介质来提供。遮蔽允许光阻挡层具有开孔1010以便导电的光阻挡金属不与电路管芯上的焊盘重叠。光阻挡区域1004被额外的电介质或钝化物覆盖以保护电路管芯并避免在电路管芯附着期间短路。该最终钝化物具有钝化物开孔1008以允许连接至焊盘1006。
[0094]图11示出了根据本发明实施例的具有电子插件的示例性接触透镜，所述电子插件包括眨眼检测系统。接触透镜1100包括软塑料部分1102，所述软塑料部分包括电子插件1104。该插件1104包括由电子器件激活的透镜1106，例如根据激活聚焦于近处或远处。集成电路1108安装于插件1104上并连接至电池1110、透镜1106、以及系统必需的其他组件。集成电路1108包括光传感器1112和相关联的光检测器信号路径电路。光传感器1112穿过透镜插件面朝外并远离眼睛，因而能够接收环境光。光传感器1112可在集成电路1108上(如图所示)被构建成单个光二极管或光二极管的阵列。光传感器1112也可被构建成安装于插件1104上的单独装置并与迹线1114连接。当眼睑闭合时，包括光检测器1112的透镜插件1104被覆盖，从而使入射于光检测器1112上的光水平减小。光检测器1112能够测量环境光以确定使用者是否在眨眼。
[0095]眨眼检测算法的附加实施例可允许眨眼序列的持续时间和间隔的更大改变，例如通过根据第一次眨眼的所测量的结束时间来对第二次眨眼的开始计时，而非通过利用固定的模板或通过加宽遮罩的“不用计”间歇(O值)。
[0096]应当理解，眨眼检测算法可构建于数字逻辑中或者在微控制器上运行的软件中。算法逻辑或微控制器可与光检测信号路径电路和系统控制器一起构建于单个应用专用集成电路(ASIC)上，或者其可横跨多于一个集成电路来划分。
[0097]重要的是应注意，本发明的眨眼检测系统具有比视力诊断、视力矫正以及视力增强更广的用途。这些更广的用途包括利用眨眼检测来为具有身体残疾的个体控制各种各样的功能。眨眼检测可被设定成睁眼或闭眼。
[0098]根据另一个示例性实施例，动力式或电子式眼科透镜可结合瞳孔位置和会聚检测系统。在调节的过程中，随着个体试图聚焦到近距离的物体上，晶状体几何形状通过睫状肌的作用而改变以增加其附加焦度。在晶状体调节的同时，两种其他动作也在发生:即每只眼(瞳孔)略微朝着鼻子向内运动(会聚)，以及瞳孔稍微变小(瞳孔缩小)。晶状体的改变、会聚和瞳孔缩小通常称为调节反射。换句话讲，当个体聚焦在附近的物体上时，例如在阅读时，他或她的瞳孔会聚以将双眼的视线固定在同一位置上。该现象根据系统的几何形状，其为由双眼之间的距离和从每只眼到物体的距离形成的三角形。接下来给出更详细的描述。由于瞳孔会聚和对附近物体聚焦之间的相关性，瞳孔会聚可用于在电子式眼科透镜中触发动作，例如改变可变焦度光学器件的焦度以允许患有老花眼的个体聚焦在近距离的物体上。还重要的是应注意，除此之外或在替代用途中，所感测的数据可只是被用作收集过程的一部分而非作为触发事件。例如，所感测的数据可被收集、记录和用于治疗疾病。换句话讲，还应当理解，利用此类传感器的装置可不以对使用者可见的方式改变状态；相反，装置可只是记录数据。例如，此类传感器可用于判断使用者是否在一整天中具有正确的虹膜响应或者是否存在有问题的医疗病症。
[0099]图12A和12B示出了正注视远处物体的个体的两只眼睛1200的不同视图，在这种情况下需要远焦(例如开车时)而不是近焦(例如读书时)。图12A示出了眼睛1200的正面透视图，而图12B示出了眼睛1200的顶部透视图。当注视远处的物体时(未示出)，瞳孔1202居中并一起跟踪。在瞳孔1202和被观察物体之间的线1201是平行的，如均呈九十
(90)度的角1204所示。这是因为任何个体上双眼1200之间的距离远小于从眼睛1200到被观察物体的距离。当个体跟踪远处物体的运动时，虽然眼睛1200也在运动，但是角1204仍非常接近九十(90)度，同样是因为双眼1200之间的距离远小于从眼睛1200到被观察物体的距离。
[0100]图13A和图13B示出了基本上与图12A和图12B中所示的那些相似的一双眼睛1300，不同的是，在本例中被观察的物体(未示出)较近或处于近处而不是远处。由于眼睛1300之间的距离现在相对于从眼睛1300到被观察物体之间的距离可以测量，因此眼睛1300发生会聚以将被观察物体保持在视野内。如图通过夸张方式所示，瞳孔1302会聚并更近地靠在一起。在瞳孔和被观察物体之间画出的线1301不再平行，并且角1304则小于九十(90)度。该现象可通过以下方式容易地观察到:使受试者一条手臂完全张开以大约两
(2)英尺的距离首先聚焦在他/她的手指上。随着受试者让他或她的手指靠近，他或她的眼睛将朝着他或她的鼻子会聚，从而变成“对视眼”。
[0101]图14示出了一种系统，相对于图12A、12B、13A和13B所述的会聚可通过该系统在一对接触透镜1400之间感测和通信。所示的瞳孔1402为了观察近距离物体而会聚。结合在被定位在眼睛1406上的接触透镜1400内的瞳孔位置和会聚检测系统1404跟踪瞳孔1402和/或接触透镜1400的位置，例如通过反向的光检测器观察瞳孔1402或通过加速度计跟踪眼睛1406的运动并从而跟踪瞳孔1402的运动。瞳孔位置和会聚检测系统1404可包括多个形成更复杂系统的部件，例如3轴加速度计、信号调节电路、控制器、存储器、电源以及随后将详细描述的收发器。两个角膜接触平片1400之间的通信信道1401允许瞳孔位置和会聚检测系统1404在瞳孔位置上同步。通信也可通过外部装置发生，例如眼镜片或智能手机。接触透镜1400之间的通信对于检测会聚具有重要意义。例如，不知道两个瞳孔1402的位置，只是向左下方注视可被右眼检测为会聚，因为瞳孔1402对于两个动作具有相似的运动。然而，如果检测到右侧瞳孔向左下方运动而检测到左眼瞳孔向右下方运动，则可视为会聚。两接触透镜1400之间的通信可采取绝对或相对位置的形式，或者如果眼睛以预期的会聚方向运动，可只是“疑似会聚”。在此情况下，如果给定的接触透镜检测其自身的会聚并从相邻的接触透镜接收会聚指示，则其可分阶段激活改变，例如，将配有可变焦点或可变焦度光学器件的接触透镜切换成近距离状态以支持阅读。可用于确定调节需要(近处聚焦)的其他信息(例如眼睑位置和睫状肌活动)在如此配备接触透镜时也可经通信信道1401传输。还应当理解，经信道1401的通信可包括通过每个透镜1406感测、检测或确定并用于多种目的(包括视力矫正、视力增强、娱乐和新奇)的其他信号。
[0102]根据一个示例性实施例，数字通信系统包括多个在实施时可呈现多种形式的元件。数字通信系统通常包括信号源、源编码器、信道编码器、数字调制器、信道、数字解调器、信道解码器和源解码器。[0103]信息源可包括生成另一装置或系统所需的信息和/或数据的任何装置。源可以是模拟的或数字的。如果源为模拟的，则将其输出转换成包含二进制串的数字信号。源编码器执行将来自源的信号有效转换成二进制数字序列的过程。然后使来自源编码器的信息进入信道编码器，在信道编码器中将冗余引入二进制信息序列。该冗余可在接收器处用于克服在信道上遇到的噪音、干扰等影响。然后将二进制序列传到数字调制器，其继而将序列转换成模拟电信号，以便经信道传输。基本上，数字调制器将二进制序列映射成信号波形或符号。每个符号可表示一个或多个比特的数值。数字调制器可调制适合经信道或通过信道传输的高频载波信号的相位、频率或振幅。信道是波形传播所通过的介质，而信道可对波形产生干扰或其他损坏。就无线通信系统而言，信道为大气。数字解调器接收被信道破坏的波形、对其进行处理，并将波形简化成数字序列，这些数字尽可能接近地表示所传输的数据信号。信道解码器通过对信道编码器所用编码的认识以及所收到的数据中的冗余而重构原始信息序列。源解码器通过对编码算法的认识对序列解码，其中其输出表示源信息信号。
[0104]重要的是应注意，上述元件可在硬件中、在软件中或在硬件和软件的组合中实现。此外，通信信道可包括任何类型的信道，包括有线和无线。在无线中，信道可针对高频电磁信号、低频电磁信号、可见光信号和红外光信号而构造。
[0105]图15A和图15B是用于控制动力式眼科透镜的一个或多个方面的示例性瞳孔位置和会聚检测系统1500的示意图。传感器1502检测瞳孔或更通常检测眼睛的运动和/或位置。传感器1502可作为接触透镜1501上的多轴加速度计实施。通过将接触透镜1501附连到眼睛上并大致随眼睛运动，接触透镜1501上的加速度计可跟踪眼睛运动。传感器1502也可作为检测图像、模式、或对比度改变以跟踪眼睛运动的面向后照相机或传感器而实施。作为另外一种选择，传感器1502可包括神经肌肉传感器以检测在眼窝中运动眼睛的神经和/或肌肉活动。每只眼球连着六块肌肉，它们为每只眼睛提供全范围的运动，而每块肌肉具有其自身独有的一个或多个动作。这六块肌肉受三条颅神经之一支配。重要的是应注意，任何合适的装置均可用作传感器1502,并且可以使用不止一个传感器1502。传感器1502的输出由信号处理器1504采集、采样和调节。信号处理器1504可包括任何数量的装置以从传感器1502接收数据并以合适的格式为系统1500的其余部件生成输出，所述装置包括放大器、互阻抗放大器、模数转换器、过滤器、数字信号处理器和相关电路。信号处理器1504可利用于下来实施:模拟电路、数字电路、软件、和/或优选地它们的组合。应当理解，利用相关领域已知的方法对信号处理器1504与传感器1502联合设计，例如，加速度计的采集和调节电路不同于肌肉活动传感器或光学瞳孔跟踪器的电路。信号处理器1504的输出优先地为采样的数字流，并可包括绝对或相对位置、运动、与会聚一致的检测到的注视、或其他数据。系统控制器1506从信号处理器1504接收输入,并将该信息与其他输入相结合以控制电子式接触透镜1501。例如，系统控制器1506可向控制接触透镜1501中的可变焦度光学器件的致动器1508输出信号。例如，如果接触透镜1501当前处于远焦状态并且传感器1502检测到会聚，则系统控制器1506可命令致动器1508改变到近焦状态。系统控制器1506可触发传感器1502和信号处理器1504两者的活动同时接收它们的输出。收发器1510通过天线1502接收和/或传输通信。该通信可来自相邻的接触透镜、眼镜用透镜或其他装置。收发器1510可配置成与系统控制器1506双向通信。收发器1510可包括收发器中常见的过滤、放大、检测和处理电路。针对电子式或动力式接触透镜对收发器1510的具体细节进行定制，例如，通信可以处于合适的频率、振幅和格式以实现眼睛之间的可靠通信、低能耗并符合法规要求。收发器1510和天线1512可在射频(RF)波段中工作，例如2.4GHz，或可使用光进行通信。将从收发器接收到的信息1510输入系统控制器1506，例如，表示会聚或分散的来自相邻透镜的信息。系统控制器1506使用来自信号处理器1504和/或收发器1510的输入数据以决定是否需要系统状态的改变。系统控制器1506也可向收发器1510传输数据，收发器然后通过天线1512经通信链路传输数据。系统控制器1506可作为现场可编程门阵列上、微控制器中或任何其他合适装置中的状态机实施。本文所述的系统1500和部件的动力由电源1514提供，电源可包括电池、俘能器或本领域普通技术人员之一已知的相似装置。电源1514也可用于向接触透镜1501上的其他装置供电。
[0106]本发明的示例性瞳孔位置和会聚检测系统1500结合和/或以其他方式包封在接触透镜1501中并与盐水接触透镜1501环境绝缘。
[0107]图16示出了通常在眼科文献中有所记述的会聚1600与焦距状态1602、1604和1606之间的示例性简化关系。当处于远焦状态1602和1606时，如相对于图12A和图12B所述，会聚度较低。当处于近焦状态1604时，如相对于图13A和图13B所述，会聚度较高。可在系统控制器(图15的元件1506)中设定阈值1608以改变电子式眼科透镜的状态，例如，当经过该阈值偏正时使可变光学器件以附加焦度聚焦，然后当经过该阈值偏负时使可变光学器件无附加焦度聚焦。
[0108]在一个示例性实施例中，在接触透镜的周边区中而非在光学区中制作电子器件和电子互连线。根据替代的示例性实施例，重要的是应注意，电子器件的位置不必仅限于接触透镜的周边区。本文所述的所有电子组件均可利用薄膜技术和/或透明材料制成。如果利用这些技术，则电子组件可放置于任何适合的位置，只要它们与光学器件兼容即可。
[0109]采集采样信号处理区块和系统控制器(分别为图15B中的1504和1506)的活动取决于可用的传感器输入、环境和使用者反应。输入、反应、以及判定阈值可根据以下中的一者或多者来确定:眼科研究、预编程、训练、以及自适应性/学习算法。例如，瞳孔会聚的一般特性可在文献中充分记述、适用于广泛的使用者人群、以及被预编程到系统控制器中。然而，个体与一般预期响应的偏差可被记录于自适应性/学习算法的训练期间或部分中，所述算法在电子式眼科装置的操作中继续完善响应。在一个示例性实施例中，使用者可通过在使用者想要聚焦于近处时激活与装置通信的手持式短表链来训练所述装置。装置中的学习算法可接着参考在短表链信号之前与之后所存储的传感器输入以完善内部决策算法。该训练周期可持续一天，然后装置将仅靠传感器输入来自主地操作，并且不需要短表链。
[0110]眼内透镜或IOL是被植入眼睛中并替代晶状透镜的透镜。它可用于患有白内障的个体或者只是用于治疗各种屈光缺陷。IOL通常包括小的塑料透镜，所述塑料透镜具有塑料侧面支撑件(被称为触觉学)以将透镜在眼睛中的囊袋内保持固定。本文所述的任何电子器件和/或组件均可被以与接触透镜相似的方式被结合到IOL中。
[0111]尽管所示出和描述的据信是最为实用和优选的实施例，但显而易见的是，本领域中的技术人员可以对所描述和所示出的具体设计和方法作出变更，并且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下使用这些变更形式。本发明并非局限于所述和所示的具体构造，而是应该理解为与落入所附权利要求书的范围内的全部修改形式相符。
【权利要求】
1.一种动力式眼科透镜，所述动力式眼科透镜包括: 接触透镜，所述接触透镜包括光学区和周边区；以及 瞳孔位置和会聚检测系统，所述瞳孔位置和会聚检测系统被结合到所述接触透镜的所述周边区中，所述瞳孔位置和会聚检测系统包括传感器、通信装置、系统控制器、以及至少一个致动器，所述传感器用于确定瞳孔位置，所述通信装置配置成向被结合到第二接触透镜的周边区中的至少第二瞳孔位置和会聚检测系统发送信息以及从所述至少第二瞳孔位置和会聚检测系统接收信息，所述系统控制器与所述传感器和所述通信装置协同配合并配置成根据来自所述传感器以及所述第二瞳孔位置和会聚检测系统的信息确定瞳孔位置和会聚并输出控制信号，所述至少一个致动器配置成接收所述输出控制信号并实现预定的功倉泛。
2.根据权利要求1所述的动力式眼科透镜，其中所述传感器包括至少一个光检测器，所述至少一个光检测器被定位以捕获所述眼睛的图像。
3.根据权利要求2所述的动力式眼科透镜，其中所述至少一个光检测器包括面向后照相机，所述面向后照相机配置成检测图像、模式、或对比度的改变以跟踪眼睛运动。
4.根据权利要求1所述的动力式眼科透镜，其中所述传感器包括至少一个加速度计以跟踪所述眼睛或所述接触透镜中的至少之一的运动。
5.根据权利要求1所述的动力式眼科透镜，其中所述传感器包括至少一个神经肌肉传感器，所述至少一个神经肌肉传感器配置成检测与眼睛运动相关联的神经肌肉活动。
6.根据权利要求1所述的动力式眼科透镜，其中所述瞳孔位置和会聚检测系统还包括信号处理器，所述信号处理器配置成从所述传感器接收信号、执行数字信号处理、以及向所述系统控制器输出一个或多个。
7.根据权利要求6所述的动力式眼科透镜，其中信号处理器包括相关联的存储器。
8.根据权利要求1所述的动力式眼科透镜，其中所述瞳孔位置和会聚检测系统还包括电源。
9.一种动力式眼科透镜，所述动力式眼科透镜包括: 接触透镜；以及 瞳孔位置和会聚检测系统，所述瞳孔位置和会聚检测系统被结合到所述接触透镜中，所述瞳孔位置和会聚检测系统包括传感器、通信装置、系统控制器、以及至少一个致动器，所述传感器用于确定瞳孔位置，所述通信装置配置成向被结合到第二接触透镜的周边区中的至少第二瞳孔位置和会聚检测系统发送信息以及从所述至少第二瞳孔位置和会聚检测系统接收信息，所述系统控制器与所述传感器和所述通信装置协同配合并配置成根据来自所述传感器以及所述第二瞳孔位置和会聚检测系统的信息确定瞳孔位置和会聚并输出控制信号，所述至少一个致动器配置成接收所述输出控制信号并实现预定的功能。
10.根据权利要求9所述的动力式眼科透镜，其中所述传感器包括至少一个光检测器，所述至少一个光检测器被定位以捕获所述眼睛的图像。
11.根据权利要求10所述的动力式眼科透镜，其中所述至少一个光检测器包括面向后照相机，所述面向后照相机配置成检测图像、模式、或对比度的改变以跟踪眼睛运动。
12.根据权利要求9所述的动力式眼科透镜，其中所述传感器包括至少一个加速度计以跟踪所述眼睛或所述接触透镜中的至少之一的运动。
13.根据权利要求9所述的动力式眼科透镜，其中所述传感器包括至少一个神经肌肉传感器，所述神经肌肉传感器配置成检测与眼睛运动相关联的神经肌肉活动。
14.根据权利要求9所述的动力式眼科透镜，其中所述瞳孔位置和会聚检测系统还包括信号处理器，所述信号处理器配置成从所述传感器接收信号、执行数字信号处理、以及向所述系统控制器输出一个或多个。
15.根据权利要求14所述的动力式眼科透镜，其中信号处理器包括相关联的存储器。
16.根据权利要求9所述的动力式眼科透镜，其中瞳孔位置和会聚检测系统还包括电源。
17.一种动力式眼科透镜，所述动力式眼科透镜包括: 眼内透镜；以及 瞳孔位置和会聚检测系统，所述瞳孔位置和会聚检测系统被结合到所述眼内透镜中，所述瞳孔位置和会聚检测系统包括传感器、通信装置、系统控制器、以及至少一个致动器，所述传感器用于确定瞳孔位置，所述通信装置配置成向被结合到第二接触透镜的周边区中的至少第二瞳孔位置和会聚检测系统发送信息以及从所述至少第二瞳孔位置和会聚检测系统接收信息，所述系统控制器与所述传感器和所述通信装置协同配合并配置成根据来自所述传感器以及所述第二瞳孔位置和会聚检测系统的信息确定瞳孔位置和会聚并输出控制信号，所述至少 一个致动器配置成接收所述输出控制信号并实现预定的功能。
【文档编号】G02C7/04GK104020580SQ201310113961
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2013年4月3日 优先权日:2013年2月28日
【发明者】R.B.皮尤, A.托纳, D.B.奥茨 申请人:庄臣及庄臣视力保护公司