(57)【要約】【課題】  アンチエイリアス光センサシステムを提供する。【解決手段】  コンタクトレンズのような電動式眼科用レンズ用のアンチエイリアス光センサシステムは、多数の機能に使用できる。アンチエイリアス光センサシステムは、光センサアレイからの電流を、電動式眼科用装置のその他態様に使用される電圧に変換する。アンチエイリアス光センサシステムは、複数の個別のフォトダイオードを有するフォトダイオードアレイと、電流を電圧に変換するためのコンデンサ及びスイッチを有する積分／ホールド回路と、Ａ／Ｄコンバータと、を有する。アンチエイリアス本発明の光センサシステムは、電力消費が低く、ダイナミックレンジが広く、ノイズを除去でき、入射した周辺可視光及び赤外線光を検出することが可能である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動式眼科用装置であって、
第１出力電流を生成する１つ又は２つ以上のフォトダイオードを有する第１センサと、
前記第１出力電流を受け取り、それを第１出力電圧に変換する第１積分器であって、第１スイッチ及び第１コンデンサを有し、所定の積分期間にわたって前記第１出力電流を積分するように構成された、第１積分器と、を有する、電動式眼科用装置。
【請求項２】
前記フォトダイオードからの前記第１出力電流の成分が、入射光に比例する、請求項１に記載の電動式眼科用装置。
【請求項３】
前記所定の積分期間は、不要な信号の期間に応じたものである、請求項１に記載の電動式眼科用装置。
【請求項４】
基準電圧源を更に備え、前記第１スイッチは、前記第１コンデンサを前記基準電圧源に選択的に結合するように構成された、請求項１に記載の電動式眼科用装置。
【請求項５】
前記第１センサは、まず前記第１スイッチを閉じてプリチャージ期間に前記第１コンデンサをプリチャージし、次に前記第１スイッチを所定の積分期間開放するように更に構成された、請求項１に記載の電動式眼科用装置。
【請求項６】
前記第１センサのゲイン及び／又は感度が可変となるよう、前記１つ又は２つ以上のフォトダイオードが前記第１コンデンサに選択的に結合されている、請求項１に記載の電動式眼科用装置。
【請求項７】
前記１つ又は２つ以上のフォトダイオードの選択的結合は、前記出力電圧の関数に基づく、請求項６に記載の電動式眼科用装置。
【請求項８】
前記第１積分器は、前記積分器の前記出力電圧が所定のホールド期間ホールドされるよう、前記コンデンサを、前記１つ又は２つ以上のフォトダイオードに選択的に結合するように構成された第２スイッチを更に備える、請求項１に記載の電動式眼科用装置。
【請求項９】
前記第１出力電圧を受け取り、前記第１出力電圧に基づきデジタル出力信号を提供するように構成されたＡ／Ｄコンバータを更に備える、請求項１に記載の電動式眼科用装置。
【請求項１０】
第２出力電流を生成する１つ又は２つ以上のフォトダイオードを有する第２センサと、
前記第２出力電流を受け取り、それを第２出力電圧に変換する第２積分器であって、第３スイッチ及び第２コンデンサを有し、前記所定の積分期間にわたって前記第２出力電流を積分するように構成された、第２積分器と、
実質的にすべての入射光を、前記第２センサに到達しないように遮断するように構成された遮光要素と、を更に備える、請求項９に記載の電動式眼科用装置。
【請求項１１】
前記第１出力電圧を前記Ａ／Ｄコンバータに選択的に結合するように構成された第１出力電圧スイッチと、
前記Ａ／Ｄコンバータのデジタル出力を選択的に受け取るか、それ以前の時間での前記Ａ／Ｄコンバータの前記デジタル出力に基づく記憶された値をホールドするように構成された第１デジタルレジスタと、
前記第２出力電圧を前記Ａ／Ｄコンバータに選択的に結合するように構成された第２出力電圧スイッチと、
前記第１デジタルレジスタ及び前記Ａ／Ｄコンバータに結合されるデジタル減算器と、を更に備える、請求項１０に記載の電動式眼科用装置。
【請求項１２】
電動式眼科用装置であって、
第１出力電流を生成する１つ又は２つ以上のフォトダイオードを含む第１センサと、
前記第１出力電流を受け取り、それを下流での使用のために第１出力電圧に変換する第１積分器であって、第１スイッチ及び第１コンデンサを有し、所定の積分期間にわたって前記第１出力電流を積分するように構成された、第１積分器と、
基準電圧源であって、前記第１スイッチが、前記第１コンデンサを前記基準電圧源に選択的に結合するように構成された、基準電圧源とを有し、前記フォトダイオードからの前記第１出力電流の成分が、入射光に比例し、前記所定の積分期間は不要な信号の期間に応じたものであり、前記第１センサは、まず前記第１スイッチを閉じてプリチャージ期間に前記第１コンデンサをプリチャージし、次に所定の積分期間、前記第１スイッチを開くように更に構成され、前記センサのゲイン及び／又は感度が可変となるよう、前記１つ又は２つ以上のフォトダイオードが前記第１コンデンサに選択的に結合されている、電動式眼科用装置。
【請求項１３】
光感知装置であって、
第１出力電流を生成する１つ又は２つ以上のフォトダイオードを有する第１センサと、
前記第１出力電流を受け取り、それを第１出力電圧に変換する第１積分器であって、第１スイッチ及び第１コンデンサを有し、所定の積分期間にわたって前記第１出力電流を積分するように構成された、第１積分器と、を有する、光感知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動又は電子式眼科用レンズ又はその他類似装置に関し、より具体的には、適切にノイズを除去／抑制した上で低電力及び／又は高ダイナミックレンジでの使用のために電流を電圧に変換するための少なくとも１つのコンデンサ及びスイッチを有する積分器を含むアンチエイリアス光センサ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子デバイスの小型化が進むにつれて、多様な用途においてウェアラブル又は埋め込み型のマイクロ電子デバイスが創出される可能性が益々高まっている。そのような用途には、体の化学反応の様子を監視すること、測定に応答してあるいは外部の制御信号に応答して、自動的なものを含め様々な機構によって、管理された薬用量の薬物又は治療薬を投与すること、及び器官又は組織の能力を増強することを挙げることができる。そのようなデバイスの例には、グルコース注入ポンプ、ペースメーカー、除細動器、補助人工心臓、及び神経刺激器が挙げられる。特に有用な新たな応用分野として、眼科用装着型レンズ及びコンタクトレンズが挙げられる。例えば、装着可能レンズは、眼の性能を増強又は向上させるための、電子的に調節可能な焦点を有するレンズアセンブリを組み込んでいる場合がある。別の例において、可変焦点の有無にかかわらず、装着型コンタクトレンズが、前角膜（涙膜）に特定の化学物質が集中することを検知するために、電子センサを組み込んでもよい。レンズアセンブリにおける埋め込み型の電子部品の使用により、電子部品に電力供給及び／又は再励起する方法として、また、電子部品同士を相互接続するため、内部及び外部の感知及び／又は観測を行うため、並びに電子部品及びレンズの全体的機能の制御を行うために、電子部品と通信する潜在的必要性が生じる。
【０００３】
人間の目は、数百万の色を識別する能力、変化する光条件に容易に順応する能力、及び信号又は情報を、高速インターネット接続を超える速度で脳に伝達する能力を有する。コンタクトレンズ及び眼内レンズなどのレンズは現在、近視（近眼）、遠視（遠眼）、老眼、及び乱視などの視力障害を補正する目的で利用されている。しかしながら、更なる構成要素を組み込んだ、適切に設計されたレンズを使用することで、視力障害を補正するのみならず、視力の向上を図ることができる。
【０００４】
コンタクトレンズを利用して、近視、遠視、乱視、及び他の視力障害を矯正することができる。コンタクトレンズはまた、装着者の目の自然な外観を向上させるために利用される場合もある。コンタクトレンズ又は「コンタクト」は、単に眼の前面上に配置されるレンズである。コンタクトレンズは、医療装置と見なされるものであり、視力を矯正するために、かつ／又は審美上の若しくは他の治療上の理由で装用されることがある。コンタクトレンズは、１９５０年代以降、視力を改善するために商業的に利用されてきた。初期のコンタクトレンズは、硬質な材料から作製又は製作され、比較的高価で脆弱なものであった。加えて、これら初期のコンタクトレンズは、コンタクトレンズを通じて結膜及び角膜へと十分に酸素を透過させない材料から製作されており、これにより、場合によっては臨床上の多数の悪影響を生じる可能性があった。こうしたコンタクトレンズは現在も利用されているが、最初の着け心地が悪いためにすべての患者に適しているわけではない。この分野における後の発展により、ヒドロゲルを基にしたソフトコンタクトレンズが生み出され、このソフトコンタクトレンズは今日、極めて一般的となり、広く利用されている。特に、今日、入手可能なシリコンヒドロゲルコンタクトレンズは、非常に高度な酸素透過性を有するシリコンの利点を、ヒドロゲルの持つ実証済みの快適性及び臨床成績と組み合わせたものである。基本的に、これらのシリコンヒドロゲルに基づくコンタクトレンズは、初期の硬質な材料から作製されたコンタクトレンズと比べて、より高度な酸素透過率を有すると共に概してより着け心地がよい。
【０００５】
従来のコンタクトレンズは、上記に簡潔に述べた様々な視力の問題を補正するための特定の形状を有するポリマー構造体である。機能性の向上を図るには、これらのポリマー構造体に各種の回路及び要素を組み込む必要がある。例えば、制御回路、マイクロプロセッサ、通信デバイス、電力供給デバイス、センサ、アクチュエータ、発光ダイオード、及び小型アンテナを特別に設計された光電子部品を介してコンタクトレンズに組み込むことで、視力を補正するだけでなく、視力を向上させ、本明細書に述べられるような更なる機能性を与えることができる。電子及び／又は電動式コンタクトレンズは、ズームイン及びズームアウト機能により、又は単純にレンズの屈折能力を変化させることにより、視力を向上させるように設計することができる。電子及び／又は電動式コンタクトレンズは、色及び解像度を向上させ、文字情報を表示し、会話をリアルタイムで字幕に翻訳し、ナビゲーションシステムからの視覚的キューを与え、画像処理及びインターネットアクセスを提供するように設計され得る。レンズは装着者が低光量条件下でも見えるように設計され得る。適切に設計された電子部品及び／又はレンズ上の電子機器の適切な配置により、可変焦点光学レンズを用いることなく例えば網膜に画像を投影することが可能となり、新規な画像ディスプレイを提供し、更には目覚ましアラートを提供することも可能となる。これらの機能又は同様の機能のいずれかに代えるか、又はこれに加えて、コンタクトレンズに装着者のバイオマーカー及び健康指標を非侵襲的に監視するための要素を組み込むこともできる。例えば、レンズに内蔵されたセンサによって涙膜の成分を分析することにより、糖尿病患者が血液を採取する必要なくして、血糖値を監視することが可能となり得る。更に、適切に構成されたレンズには、コレステロール、ナトリウム、及びカリウムの濃度、並びに他の生物学的マーカーを監視するためのセンサを組み込むことができる。これを無線データ送信器と組み合わせることにより、医師が患者の血液成分をほぼ即時に把握することが可能となり、患者が検査機関に赴いて血液を採取するために時間を浪費する必要がなくなる。更に、レンズに組み込まれたセンサを利用して眼に入射する光を検出することにより、周辺光条件を補償する、又はまばたきのパターンを調べるのに使用することができる。
【０００６】
装置を適切に組み合わせれば、無限の機能が提供され得る。しかし、光学用ポリマー片上に追加要素を組み込むことは多くの困難を伴う。一般的に、こうした要素をレンズ上に直接製造すること、及び非平面状の表面に平面状の装置を実装して相互に接続することは、多くの理由により困難である。一定の縮尺での製造も困難である。レンズ上又はレンズ内に配置される要素は、眼の液体環境からこうした要素を保護する一方で、小型化され、わずか１．５平方センチメートルの透明なポリマー上に集積化される必要がある。更なる要素によって厚みを増やすことでコンタクトレンズを装着者にとって快適かつ安全なものとすることにも困難が伴う。
【０００７】
コンタクトレンズなどの眼科用装置の面積及び体積の制約、並びに装置が使用される環境を考慮すると、装置を物理的に実現するためには、その大部分が光学プラスチックからなる非平面状の表面に多数の電子素子を実装して相互接続することを含む、多くの問題を克服しなければならない。したがって、機械的かつ電気的な耐久性を有する電子コンタクトレンズを提供することが求められている。
【０００８】
これらは電動式レンズであるため、電子機器を動作させるためのエネルギー、又はより具体的には消費電流が、眼科レンズの規模でのバッテリ技術を考慮した場合に懸念事項となる。通常の消費電流に加えて、この種の電動式装置又はシステムでは一般的に、潜在的に広範囲の動作パラメータにわたって動作を保証するための待機予備電流、正確な電圧制御及びスイッチング性能、並びに、例えば数年にわたり潜在的にアイドリング状態に維持された後、１回の充電で最大で１８時間のバースト消費が求められる。したがって、所用の低電力消費を達成する一方で、低コスト性、長期の信頼性の高い動作、安全性、及びサイズについて最適化されたシステムが求められている。
【０００９】
更に、電動式レンズに付随する機能の複雑性、及び電動式レンズを構成するすべての要素間の高度な相互作用のため、電動式眼科用レンズを構成する電子部品及び光学素子の全体的な動作を調整及び制御することが求められる。したがって、安全、低コストで信頼性が高く、電力消費率が低く、かつ眼科レンズに組み込むための拡張性を有するすべての他の構成要素の動作を制御するためのシステムが求められている。
【００１０】
電動又は電子式眼科用レンズは、周辺光状態、装着者のまばたき、及び／又は別装置からの可視光又は赤外線通信信号を検出するため、周辺光又は赤外線光センサを利用してもよい。まばたき検出又は光による通信はまた、電動式眼科用レンズの１つ又は２つ以上の態様を制御する手段として利用されてもよい。人間の眼は、照度約１ｌｕｘから１００，０００ｌｕｘ超という広いダイナミックレンジにて動作可能である。したがって、電動式眼科用レンズでの使用に適した光センサも、非常に幅広いダイナミックレンジにわたる周辺光レベルで動作可能である必要がある。更に、使用に際しての照明環境が、ノイズ及び入射光エネルギーの干渉を生じる光源を含むことがある。例えば、オフィスの蛍光灯照明は、回線周波数の倍で、平均光レベルの約３０％程度の振幅という大きなリップルを生じ、米国の６０Ｈｚ電気系統で動作するときは１２０Ｈｚの割合で変化する。
【００１１】
周辺光センサ又は光センサは、多くのシステム及び製品に利用され、例えば、室内灯に応じて明るさを調整するようにテレビに、夕暮れにスイッチが入るように電灯に、及びスクリーンの明るさを調整するように電話に利用される。従来の光センサシステムは、入射光エネルギーに比例した光電流を生成するためにフォトダイオードを使用し、遠隔制御又は画面輝度調整のような所要の機能を実現するための制御回路に電圧信号を提供するためにトランスインピーダンス増幅器として配置されたオペアンプ回路を使用する。いくつかの遠隔操作システムは、周辺光阻止フィルタを利用し、３０ｋＨｚから５０ｋＨｚの範囲の周波数を有する振幅変調搬送波を受信し、帯域通過フィルタステージへと通過させ、これにより所望の変調搬送波信号が通過し、不要な信号がはじかれる。しかし、このような現状利用されている光センサシステムは、電動式眼科用レンズで使用できるほどに低電力消費又は高ダイナミックレンジなものではない。更に、帯域通過フィルタ及び／又は周辺光阻止フィルタを赤外線通信に使用すると、同一センサによる周辺光レベルの検出が不能となり、周辺光及びまばたきの検知のため追加で回路又はセンサが求められる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、電動又は電子式眼科用レンズに適切に組み込み可能な光センサシステムも必要である。利用される光センサシステムは、電力消費が低く、ダイナミックレンジが広く、ノイズを除去でき、周辺の可視光及び赤外線光の両方を検出することが可能であることが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るアンチエイリアス光センサシステムを有する電動又は電子式眼科用レンズは、上に簡潔に説明した先行技術の制限を克服する。
【００１４】
一態様によれば、本発明は電動式眼科用装置に関する。この電動式眼科用装置は、第１出力電流を生成する１つ又は２つ以上のフォトダイオードを有する第１センサと、前記第１出力電流を受け取り、それを第１出力電圧に変換する第１積分器であって、第１スイッチ及び第１コンデンサを有し、所定の積分期間にわたって前記第１出力電流を積分するように構成された、第１積分器と、を有する。
【００１５】
一態様によれば、本発明は電動式眼科用装置に関する。この電動式眼科用装置は、第１出力電流を生成する１つ又は２つ以上のフォトダイオードを有する第１センサと、前記第１出力電流を受け取り、それを下流での使用のために第１出力電圧に変換する第１積分器であって、第１スイッチ及び第１コンデンサを有し、所定の積分期間にわたって前記第１出力電流を積分するように構成された、第１積分器と、基準電圧源であって、前記第１スイッチが、前記第１コンデンサを前記基準電圧源に選択的に結合するように構成された、基準電圧源と、を有し、前記フォトダイオードからの前記第１出力電流の成分が、入射光に比例し、前記所定の積分期間は不要な信号の期間に応じたものであり、前記第１センサは、まず前記第１スイッチを閉じてプリチャージ期間に前記第１コンデンサをプリチャージし、次に所定の積分期間、前記第１スイッチを開くように更に構成され、前記センサのゲイン及び／又は感度が可変となるよう、前記１つ又は２つ以上のフォトダイオードが前記第１コンデンサに選択的に結合されている。
【００１６】
更に別の態様によれば、本発明は光感知装置に関する。この光感知装置は、第１出力電流を生成する１つ又は２つ以上のフォトダイオードを有する第１センサと、前記第１出力電流を受け取り、それを第１出力電圧に変換する第１積分器であって、第１スイッチ及び第１コンデンサを有し、所定の積分期間にわたって前記第１出力電流を積分するように構成された、第１積分器と、を有する。
【００１７】
本発明は、可変焦点光学系が含まれる場合にそれを作動させることを含む、任意の数の機能を実行する、電子システムを備えるコンタクトレンズのような電動式眼科用装置に関する。この電子システムは、１つ又は２つ以上の電池又は他の電源、電力管理回路、１つ又は２つ以上のセンサ、クロック発生回路、制御アルゴリズム及び回路、並びにレンズ駆動回路を含む。加えて、本発明に係る電子システムは、光センサのアレイからの電流を、電動式眼科用装置の別の態様に使用するための電圧に変換する光センサシステムを更に有する。
【００１８】
本発明の光センサシステムは、複数の個別のフォトダイオードを有するフォトダイオードアレイと、電流を電圧に変換するためのコンデンサ及びスイッチを有する積分／ホールド回路と、Ａ／Ｄコンバータと、を有する。システムの感度を変更するため、アレイを構成するフォトダイオードの数も可変であってもよい。積分／ホールド回路は、オペアンプの代わりに使用され、装置の電量消費を減らし、効果的なアンチエイリアスフィルタともなることから、システムは追加のフィルタが不要となり、全体的なサイズを小さくできる。別の実施形態では、暗電流又は漏洩電流を相殺するため、追加の回路を使用してもよい。本発明の光センサシステムは、電力消費が低く、ダイナミックレンジが広く、ノイズを除去でき、入射した周辺可視光及び赤外線光を検出することが可能である。
【００１９】
この発明による光センサシステムは、上に簡単に説明したような従来技術に伴う制限を克服する。より具体的には、本発明の光センサシステムは、幅広い周辺光のダイナミックレンジにわたって、入射した可視光及び赤外線通信信号を検出でき、非常に低電力で動作可能である。本発明の光センサシステムは、そのサイズから、コンタクトレンズのような電動式眼科用装置により容易に組み込むことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明の前述及び他の特徴及び利点は、付随する図面に示される本発明の好ましい実施形態の、より詳細な以下の説明から明らかとなるであろう。
【図１】本発明に係る光センサシステムを有するコンタクトレンズの例である。
【図２】本発明に係る光センサシステムを示す模式図である。
【図３】本発明に係る光センサシステムに関連する信号の例示のタイミング図である。
【図４】本発明に係る光センサシステムの周波数応答を示すグラフ図である。
【図５】本発明に係る、暗電流キャンセルを有する光センサシステムを示す模式図である。
【図６】本発明に係る、例示の集積回路ダイ上の光遮断及び光通過領域を示す模式図である。
【図７】本発明に係る電動又は電子式コンタクトレンズ内に設けられる、光センサシステムを含む例示的な電子インサートを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
従来のコンタクトレンズは、上記に簡潔に述べた様々な視力の問題を補正するための特定の形状を有するポリマー構造体である。高い機能性を達成するために、様々な回路及び構成要素が、これらのポリマー構造体に組み込まれ得る。例えば、制御回路、マイクロプロセッサ、通信デバイス、電力供給デバイス、センサ、アクチュエータ、発光ダイオード、及び小型アンテナを特別に設計された光電子部品を介してコンタクトレンズに組み込むことで、視力を補正するだけでなく、視力を向上させ、本明細書に述べられるような更なる機能性を与えることができる。電子及び／又は電動式コンタクトレンズは、ズームイン及びズームアウト機能により、又は単純にレンズの屈折能力を変化させることにより、視力を向上させるように設計することができる。電子及び／又は電動コンタクトレンズは、色及び解像度を向上させ、文字情報を表示し、会話をリアルタイムで字幕に翻訳し、ナビゲーションシステムからの視覚的キューを与え、画像処理及びインターネットアクセスを提供するように設計され得る。こうしたレンズは装着者が低光量条件下でも見えるように設計することもできる。適切に設計された電子部品及び／又はレンズ上の電子機器の適切な配置により、網膜に画像を投影することが可能となり、例えば、可変焦点光学レンズを用いることなく新規性のある画像ディスプレイを提供し、更には目覚ましアラートを提供することも可能となる。これらの機能又は同様の機能のいずれかに代えるか、又はこれに加えて、コンタクトレンズに装着者のバイオマーカー及び健康指標を非侵襲的に監視するための要素を組み込むこともできる。例えば、レンズに内蔵されたセンサによって涙膜の成分を分析することにより、糖尿病患者が血液を採取する必要なくして、血糖値を監視することが可能となり得る。更に、適切に構成されたレンズには、コレステロール、ナトリウム、及びカリウムの濃度、並びに他の生物学的マーカーを監視するためのセンサを組み込むことができる。これを無線データ送信器と組み合わせることにより、医師が患者の血液成分をほぼ即時に把握することが可能となり、患者が検査機関に赴いて血液を採取するために時間を浪費する必要がなくなる。更に、レンズに組み込まれたセンサを利用して眼に入射する光を検出することにより、周辺光条件を補償する、又はまばたきのパターンを調べるのに使用することができる。
【００２２】
本発明の電動式又は電子コンタクトレンズは、上述した視力障害の内の１つ又は２つ以上を有する患者の視力を補正かつ／又は向上させるか、何らかの方法で有用な眼科的機能を行う上で必要な要素を有する。加えて、電子コンタクトレンズは、単に正常な視力を向上させるためか、上述の通り幅広く多様な機能性を提供するために利用されてもよい。電子コンタクトレンズは、コンタクトレンズに埋め込まれるか、任意の好適な機能性を与えるためにレンズなしで電子部品を単純に埋め込んだ、組み立てられた前方光学素子である可変焦点光学レンズとして構成することができる。本発明の電子レンズは、上述したような任意の数のコンタクトレンズに組み込むことができる。更に、眼内レンズには、本明細書に述べるような様々な構成要素及び機能性を組み込むこともできる。しかしながら、説明を簡単にするため、本開示では、１回使用、１日使い捨ての視力障害補正用の電子コンタクトレンズについて主に述べる。
【００２３】
本発明は、可変焦点光学、又は実行され得る任意の数の多種多様な機能を実行するように構成された任意の他のデバイス又は複数のデバイスを作動させる電子システムを備える電動式眼科レンズ又は電動式コンタクトレンズに採用されてもよい。この電子システムは、１つ又は２つ以上の電池又は他の電源、電力管理回路、１つ又は２つ以上のセンサ、クロック発生回路、制御アルゴリズム及び回路、並びにレンズ駆動回路を含む。これらの要素の複雑度は、必要とされる又は望ましいレンズの機能に応じて変わり得る。
【００２４】
電子又は電動式眼科用レンズの制御は、携帯型遠隔装置などの、レンズと通信する手動式の外部の装置によって行うことができる。例えば、フォブは、装着者からの手動入力に基づいて電動式レンズと無線通信を行うことができる。また、電動式眼科用レンズの制御は、装着者からの直接的なフィードバック又は制御信号によって行うこともできる。例えば、レンズ内に構築されたセンサは、まばたき及び／又はまばたきパターンを検出してもよい。まばたきのパターン又はシーケンスに基づいて、電動式眼科レンズは、近くの物体又は遠くの物体のいずれかに焦点を合わせるために、例えばその屈折力等、状態を変化させてもよい。
【００２５】
代替的に、電動又は電子眼科レンズのまばたき検出は、別の電子デバイスを作動化する、又はコマンドを別の電子デバイスに送信する等、使用者と電子コンタクトレンズとの間に相互作用がある、他の種々の使用のために使用されてもよい。例えば、眼科用レンズのまばたき検出は、コンピュータ上のカメラとともに使用されてもよく、このカメラは、コンピュータスクリーン上で、目（複数可）が動く場所の追跡を維持し、使用者が検出されたまばたきシーケンスを実行するときに、それはマウスポインターに、項目上でダブルクリックする、項目を強調表示する、又はメニュー項目を選択する等のコマンドを実行させる。
【００２６】
まばたき検出アルゴリズムは、例えば、まぶたが開いているか又は閉じているか、まばたきの持続時間、まばたき間の持続時間、及び所与の期間におけるまばたきの回数等のまばたきの特性を検出するシステムコントローラの構成要素であってもよい。本発明に従うアルゴリズムは、ある特定のサンプリング速度で目への光の入射をサンプリングすることに依存する。所定のまばたきパターンには、入射光サンプルの最新履歴が記憶され、それと比較される。パターンが整合するとき、まばたき検出アルゴリズムは、例えば、レンズドライバを作動させてレンズの屈折力を変化させるために、システムコントローラの活動を引き起こしてもよい。
【００２７】
まばたきは、まぶたの素早い開閉であり、目の不可欠な機能である。まばたきは、例えば、物体が目に近接して不意に現れたときに個人がまばたきする等、目を異物から保護する。まばたきは、涙を広げることによって、目の前面上に潤滑をもたらす。まばたきはまた、混入物及び／又は刺激物を目から除去する役割も果たす。通常、まばたきは自動的に行われるが、刺激物による場合には、外部刺激が原因となり得る。しかしながら、まばたきは意図的である場合もあり、例えば、言語により又はジェスチャーにより情報交換できない個人は、「はい」を伝達するため１回まばたきし、「いいえ」を伝達するため２回まばたきすることができる。本発明のまばたき検出アルゴリズム及びシステムは、通常のまばたき応答と混同され得ないまばたきパターンを使用する。換言すれば、まばたきが作用を制御するための手段として利用される場合、所与の作用に対して選択される特定のパターンは無作為には生じ得ない。そうでなければ、不慮の作用が起こり得る。まばたき速度は、疲労、目の怪我、薬物治療及び疾患を含むいくつかの要因によって影響され得るため、制御目的のまばたきパターンは、好ましくは、まばたきに影響するこれら及び任意の他の変化するものを考慮する。無意識のまばたきの平均長さは、約１００から４００ミリ秒の範囲である。平均的な成人男性及び女性は、１０回の無意識のまばたき／分という速度でまばたきし、無意識のまばたき間の平均時間は、約０．３から７０秒である。個人のまばたきの割合が、その他要因により変動し得ることをについて言及することは重要であり、例えば、個人が集中したり、読書をしたりしているときはまばたきが減り、退屈を感じていれば増える。
【００２８】
しかし、上述のように、本発明の光センサシステムは、まばたき検出以外の追加機能を持つように設計されることが好ましい。例えば、本発明の光センサシステムは任意の用途のために入射可視光及び／又は赤外線通信信号の検出に利用されてもよい。
【００２９】
図１は、光センサシステム１０２、信号処理回路１０４、システムコントローラ１０６、電源１０８、アクチュエータ１１０を有する例示的電動又は電子式コンタクトレンズ１００を示すブロック図である。コンタクトレンズ１００が、ユーザの眼の表面上に載置されると、光センサシステム１０２が周辺光、入射光レベルの変動又は赤外線通信信号の変動の検知に利用され得る。例示的電動式コンタクトレンズ１００を有する各構成要素の機能及び動作を、以下に説明する。
【００３０】
本例示的実施形態において、光センサシステム１０２はコンタクトレンズ１００内に埋め込まれ、周辺又は赤外線光１０１を受光し、信号処理回路１０４に対して、コンタクトレンズ１００に入射した光エネルギーを示す値を有するデータ信号１１２を提供してもよい。光センサシステム１０２と、信号処理回路１０４は、双方向通信するように構成されてもよい。即ち、信号処理回路１０４は、引き続き以下に例示する１つ又は２つ以上の信号を光センサシステム１０２に提供してもよい。信号処理回路１０４は、フィルタリング、処理、検出、及び他には、下流での使用のために入射光検出を可能にするデータの操作／処理のうちの１つ又は２つ以上を含む、デジタル信号処理に利用され得る。信号処理回路１０４は、特定のまばたきパターン又は赤外線通信プロトコルを示す所定の変光シーケンスを検知するように構成されてもよい。所定のシーケンスを検知すると、信号処理回路１０４は表示信号１１４をシステムコントローラ１０６に提供してもよく、それに応じてシステムコントローラ１０６は、例えば起動、停止、アクチュエータ１１０の振幅又はデューティサイクルのような動作パラメータの変更等により、アクチュエータ１１０の状態を変更するように作用してもよい。システムコントローラ１０６と、信号処理回路１０４は、双方向通信するように構成されてもよい。即ち、システムコントローラ１０６は、引き続き以下に示す例である、１つ又は２つ以上の信号を信号処理回路１０４に提供してもよい。
【００３１】
システムコントローラ１０６は、光センサシステム１０２にフィードバック信号を提供することで、システムのダイナミックレンジを最大化する目的で、周辺光レベルに応じて光センサシステム１０２のゲインを調整してもよい。
【００３２】
いくつかの実施形態では、信号処理回路１０４は、デジタル論理回路と、デジタルデータ信号１１２を提供するように構成された光センサシステム１０２として実現されてもよい。システムコントローラ１０６はまた、デジタル論理回路として実現され、信号処理回路１０４と別途又は統合された構成要素として実現されてもよい。信号処理回路１０４及びシステムコントローラ１０６は、カスタム論理、再プログラム可能論理又は１つ又は２つ以上の当業者に公知のマイクロコントローラ内に実現されてもよい。信号処理回路１０４及びシステムコントローラ１０６は、データ信号１１２の値又はシステム状態の履歴を保持する、関連したメモリを有してもよい。任意の好適な配置及び／又は構成が利用され得ることに留意することが重要である。
【００３３】
電源１０８は、コンタクトレンズ１００を構成する多くの要素に電力を供給する。電力は、電池、エネルギー回収装置、又は当業者には周知の他の好適な手段から供給することができる。本質的に、システムのすべての他の構成要素に信頼性のある電力を供給するためには、任意の種類の電源１０８を利用することができる。上述のように、まばたきシーケンス、あるいは所定のシーケンス又はメッセージ値を持つ赤外線通信信号を利用してシステム及び／又はシステムコントローラの状態を変えてもよい。更に、システムコントローラ１０６は、例えば、アクチュエータ１１０を通じて電子的に制御されたレンズの焦点又は屈折力を変化させる等、信号処理装置１０４からの入力に応じて、電動式コンタクトレンズの他の態様を制御してもよい。図示のように、電源１０８はその他構成要素に接続されており、電力を必要とする任意の更なる構成要素又は機能ブロックにも接続され得る。
【００３４】
アクチュエータ１１０は、受信されたコマンド信号に基づき、特定の動作を実行するための任意の好適な装置を備えてもよい。例えば、まばたき作動シーケンスが、上述の通り検知される場合、システムコントローラ１０６はアクチュエータ１１０を起動して電子又は電動式レンズの可変光学素子を制御してもよい。アクチュエータ１１０は、電気装置、機械的装置、磁気的装置、又はこれらの任意の組み合わせを備えてもよい。アクチュエータ１１０は、電源１０８からの電力に加え、システムコントローラ１０６から信号を受信し、システムコントローラ１０６からの信号に基づいて特定の動作を発生させる。例えば、システムコントローラ１０６の信号が、近くの物体に焦点を合わせようとする装着者を示す場合、例えば、動的マルチ液体光学ゾーンを介して電子眼用レンズの屈折力を変化させるために、アクチュエータ１１０を利用することができる。代替の例示的実施形態では、システムコントローラ１０６は、治療薬が眼（複数可）に送達されるべきであるということを示す信号を出力することができる。この例示的実施形態では、アクチュエータ１１０は、例えば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ポンプなどのポンプ及びリザーバを備えてもよい。上述のように、本発明の電動式レンズは、様々な機能を提供し得る。したがって、このような機能を実現するため、１つ又は２つ以上のアクチュエータを各種構成してもよい。
【００３５】
図２に、本発明の例示的実施形態に係る光センサシステム２００の部分概略図、部分ブロック図を示す。光センサシステム２００は、複数の個別のフォトダイオードと、積分／ホールド回路２０４と、出力データ信号２０８を提供するＡ／Ｄコンバータ２０６とを有するフォトダイオードアレイ２０２を有する。フォトダイオードアレイ２０２は、１つ又は２つ以上のフォトダイオードＤＧ１からＤＧ５を有し、フォトダイオードのカソード端子はカソードノード２１０に選択的に結合される。別の例示的実施形態では、フォトダイオードアレイ２０２は更なるフォトダイオードを有しても、有するフォトダイオードがより少なくても、又はフォトダイオードが１つであってもよい。選択的結合はゲイン信号ｐｄ＿ｇａｉｎの値に依存し、ゲイン信号は、例えば図１に示すような信号処理回路１０４のような信号処理回路により提供されてもよい。引き続き以下にフォトダイオード構造を詳細に説明する。いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のフォトダイオードＤＧ１からＤＧ５の内の１つがカソードノード２１０に結合されていない場合、そのカソード端子は、回路接地に結合されてもよく、これにより半導体ダイオード接合に関連した寄生容量が放出される。１つ又は２つ以上のフォトダイオードＤＧ１からＤＧ５は、入射光２１２に応じて光電流を生成する。典型的には、シリコン半導体フォトダイオードは、入射光エネルギーに比例した値の光電流を生成し、漏電機構により「暗電流」も生成し、暗電流は入射光とは無関係に存在し、フォトダイオードの温度と電圧に比例し得る。したがって、フォトダイオードアレイ２０２により生成される総電流は、入射光２１２に応じた成分と、前記選択された１つ又は２つ以上のフォトダイオードＤＧ１からＤＧ５により生成される暗電流成分を含む。シリコン半導体フォトダイオードは、接合容量を更に有する。
【００３６】
積分／ホールド回路２０４は、積分コンデンサＣｉｎｔと、ホールドスイッチＳ３と、プリチャージスイッチＳ４と、を有する。ホールドスイッチＳ３は、ホールド信号ｈｏｌｄＢの値に基づき、カソードノード２１０を選択的に積分コンデンサＣｉｎｔに結合する。好ましくは、ホールドスイッチＳ３は、ホールド信号ｈｏｌｄＢが論理１又は高電圧値を示す場合に閉じ、ホールド信号ｈｏｌｄＢが論理０又は低電圧値を示す場合に開くように構成される。プリチャージ信号Ｓ４は、プリチャージ信号ＰＲＥＣＨＲＧの値に基づき、積分コンデンサＣｉｎｔを選択的に基準電圧ｖｒｅｆに結合する。好ましくは、プリチャージスイッチＳ４は、プリチャージ信号ＰＲＥＣＨＲＧが論理１又は高電圧値を示す場合に閉じ、プリチャージ信号ＰＲＥＣＨＲＧが論理０又は低電圧値を示す場合に開くように構成される。積分コンデンサＣｉｎｔは、積分出力電圧ノードＩｎｔ＿ｖｏｕｔに更に結合される。動作中、積分コンデンサＣｉｎｔは基準電圧ｖｒｅｆにプリチャージされ、フォトダイオードアレイ２０２から引き出された電流を積分し、積分出力電圧ノードＩｎｔ＿ｖｏｕｔを生成する。
【００３７】
Ａ／Ｄコンバータ２０６は、積分コンデンサＣｉｎｔで生成された電圧を受け取り、積分出力電圧ノードＩｎｔ＿ｖｏｕｔに展開され、当該積分出力電圧を示すデジタル出力値Ｄｏｕｔを提供するように構成される。Ａ／Ｄコンバータ２０６は、イネーブル信号ａｄｃ＿ｅｎ＿ｒｓｔを受信するように構成されてもよい。いくつかの例示的実施形態では、Ａ／Ｄコンバータ２０６は、ａｄｃ＿ｅｎ＿ｒｓｔが論理０の値を示す場合にリセットされ、ａｄｃ＿ｅｎ＿ｒｓｔが論理１の値に遷移する場合に変換動作を開始するように構成される。
【００３８】
本例示的実施形態では、ゲイン信号ｐｄ＿ｇａｉｎはｐｄ＿ｇａｉｎ＜４：０＞と記載される５ビットデジタル信号であり、当該信号により、入射光強度を含むように適切にスケールされるように、フォトダイオードアレイ２０２により生成された総光電流を設定可能となる。更にこの例示的実施形態では、フォトダイオードＤＧ１，ＤＧ２，ＤＧ３，ＤＧ４，ＤＧ５は、それぞれフォトダイオード要素を１個，７個，５６個，４４８個，３５８４個有する。入射光強度が非常に高ければ、１つのフォトダイオード要素カソード（ＤＧ１）のみからの光電流を積分器に出力し、その他すべてのカソードを接地に短絡してもよい。光強度が低くなれば、フォトダイオードＤＧ１及びＤＧ２の両方を選択してもよく、その場合フォトダイオードＤＧ１単独の場合に比して感度が８倍となる。同様に、強度が更に低くなれば、フォトダイオードＤＧ１，ＤＧ２，ＤＧ３を選択することで、感度をフォトダイオードＤＧ１単独の場合に比して６４倍にしたり、フォトダイオードＤＧ１からＤＧ４を選択したりすることで、感度をフォトダイオードＤＧ１単独の場合に比して５１２倍としてもよい。使用可能な最低強度の場合、フォトダイオードＤＧ１からＤＧ５を選択することで、アレイ中の４０９６個のフォトダイオード要素がすべて選択され、フォトダイオードの感度を４０９６倍にできる。これにより、ゲイン信号ｐｄ＿ｇａｉｎを使用して、７２ｄＢの範囲でフォトダイオードアレイ２０２の感度をデジタル制御できる。
【００３９】
図３は、図２に示す例示的光センサシステム２００の積分及び変換シーケンスのタイミング図を示す。まず、３０１で示す時間において、ホールド信号ｈｏｌｄＢは、高電圧値に設定されているため、ホールドスイッチＳ３は閉じられ、積分コンデンサＣｉｎｔがカソードノード２１０及びフォトダイオードアレイ２０２に結合される。その後、３０２において、プリチャージ信号ＰＲＥＣＨＲＧがアサートされて、プリチャージスイッチＳ４が閉じ、積分コンデンサＣｉｎｔ、カソードノード２１０及び選択された１つ又は２つ以上のフォトダイオードＤＧ１からＤＧ５の接合容量が基準電圧ｖｒｅｆに結合される。符号Ｉｎｔ＿ｖｏｕｔが付された線で示す積分コンデンサＣｉｎｔの電圧は、時刻３０２の前までは一定値として図示されているが、当該電圧は、光センサシステムへの入射光（図２）、前回動作後からの経過時間、及び当業者により理解可能なその他類似の機能により判断される合理的な値であってもよいことを付記することは重要であろう。次に、３０３においてプリチャージ信号ＰＲＥＣＨＲＧのアサートが停止され、基準電圧ｖｒｅｆとの切断が断たれ、フォトダイオードアレイ２０２からの電流により積分コンデンサＣｉｎｔが放電可能となる。積分期間Ｔｉｎｔが経過すると、３０４にてホールド信号ｈｏｌｄＢが低電圧値に設定され、ホールドスイッチＳ３が開放される。その後３０５にて、イネーブル信号ａｄｃ＿ｅｎ＿ｒｓｔが論理０値に設定され、その後論理１値に設定されることで変換動作が開始される。変換時間Ｔａｄｃが経過すると、デジタル出力値Ｄｏｕｔは、積分電圧Ｖｉｎｔを示す新しい値となる。本例示的実施形態では、積分電圧は、基準電圧ｖｒｅｆと、積分出力電圧ノードＩｎｔ＿ｖｏｕｔ上に設けられた積分コンデンサＣｉｎｔの電圧との差分として示される。
【００４０】
１つ又は２つ以上のフォトダイオードＤＧ１からＤＧ５はそれぞれ、電流源として設計されてもよい。フォトダイオードアレイ２０２により生成される総電流は、積分コンデンサＣｉｎｔに統合されてもよい。信号チェーンにオペアンプが不要であるため、その結果、電力損失が非常に低く抑えられる。積分期間Ｔｉｎｔの終わりの、積分器の出力における積分結果の電圧は以下の式によって示される。
Ｉｎｔ＿ｖｏｕｔ＝ｖｒｅｆ−（ＩＰＤ／Ｃｉｎｔ）・Ｔｉｎｔ            （１）
式中、Ｔｉｎｔは積分期間を示し、ＩＰＤはフォトダイオードアレイ２０２により生成される総電流を示す。この式から、トランス−抵抗ゲインを左右し、入力電流を出力電圧に変える等価抵抗Ｒｇａｉｎは、以下の式により示される。
Ｒｇａｉｎ＝Ｔｉｎｔ／Ｃｉｎｔ                                        （２）
【００４１】
式２の通り、ＲｇａｉｎはＴｉｎｔに正比例し、Ｃｉｎｔに反比例する。本明細書の説明では、これは時変抵抗であるととらえられる。したがって、例えば、ゲインを増加するために、積分期間Ｔｉｎｔの延長、及び／又は積分コンデンサＣｉｎｔの縮小できる。このようにコンデンサを小さくしてゲインを大きくすることができる、つまり、ダイのサイズを小さくでき、先述のように、これは設計パラメータとして好ましい。したがって、ゲインを調整するために、追加の容量をつなげたり、外したりすること、及び／又は例えばデジタル制御で積分時間Ｔｉｎｔを変更することができる。
【００４２】
なお、非常に小さな面積で極めて大きいＲｇａｉｎの値が得られるため、本発明の回路は半導体ダイへの組み込みや、電動式コンタクトレンズのような生物医学装置での使用に適している。例えばＣｉｎｔ＝１ｐＦ、Ｔｉｎｔ＝１００ｍＳ、Ｒｇａｉｎ＝１００ＧΩであれば、典型的な０．１８μｍの相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）処理において、およそ１４μｍ×１４μｍのみの面積で達成できる。
【００４３】
Ａ／Ｄコンバータ２０６により、積分出力電圧ノードＩｎｔ＿ｖｏｕｔで設けられた電圧（式１）がデジタル化される。Ａ／Ｄコンバータのフルスケール出力は、Ｖｉｎｔ＝ｖｒｅｆ、積分出力電圧ノードＩｎ＿ｖｏｕｔの電圧０Ｖに対応し、以下に示すフルスケールの光電流ＩＰＤの（ＦＳ）に対応する。
（ＦＳ）＝Ｃｉｎｔ・ｖｒｅｆ／Ｔｉｎｔ                          （３）
【００４４】
積分、ホールド動作に対応する周期的時変インパルス応答は、時変インパルス応答ｈ（τ，ｔ）と記載できる。
ｈ（τ，ｔ）＝ｕ（τ）−ｕ（τ＋（Ｎ−１）・Ｔｉｎｔ−ｔ）        （４）
その期間は（Ｎ−１）・Ｔｉｎｔ＜ｔ≦（Ｎ・Ｔｉｎｔ）、Ｎ＝１，２，３．．．となる。
【００４５】
式４は、時間ｔにおけるｈ（τ，ｔ）を示し、Ｎは所定の積分期間を表す整数である。式４は、時変インパルス応答が、ｔからｔ＝Ｔｉｎｔにかけてその幅が直線的に増加するパルスであることを示している。ｔ＝Ｔｉｎｔ＋において、インパルス応答パルス幅が０に戻り（リセットされ）、またｔ＝２Ｔｉｎｔまで増加し始める（期間＝Ｔｉｎｔとして、周期的である）。ｔ＝Ｔｉｎｔ＋における＋、即ちプラス記号は、ｔ＝Ｔｉｎｔの直後から計算が始まることを示している。
【００４６】
各積分間隔の最後には、ｔ＝Ｎ＊Ｔｉｎｔ（Ｎ＝１，２，３．．．）となり、式４からインパルス応答は以下の通りとなる。
ｈ（τ，Ｎ・Ｔｉｎｔ）＝ｕ（τ）−ｕ（τ−Ｔｉｎｔ）                （５）
【００４７】
各積分間隔（式５）の最後でのインパルス応答のラプラス変換伝達関数は以下の通りとなる。
Ｈ（ｓ）＝［１−ｅ−（ｓ・Ｔｉｎｔ）］／（ｓ・Ｔｉｎｔ）            （６）
【００４８】
式（６）をｓ＝ｊ２πｆとし、簡約すると、以下の積分及びホールド動作のフーリエ変換となる。
Ｈ（ｊ２πｆ）＝ｅ−（ｊπ・Ｔｉｎｔ・ｆ）ｓｉｎ（π・Ｔｉｎｔ・ｆ）／（π・Ｔｉｎｔ・ｆ）  （７）
【００４９】
式（７）に示すように、得られる周波数応答振幅は周波数ｆ（２０ｄＢ／ｄｅｃロールオフとなる）に対して反比例し、定期的なゼロ点（切り目）で区切られる。
【００５０】
図４は、周波数応答振幅に対する１０Ｈｚの倍数で定期的なゼロ点（切り目）を入れた０．１ｓの積分時間Ｔｉｎｔ周波数を示す。式７の正規化周波数応答はＣｉｎｔに依存しないことが理解されよう。即ち、コーナー周波数と、周波数応答の形状は、Ｃｉｎｔに依存せず、積分間隔Ｔｉｎｔの長さにのみ依存する。
【００５１】
式に示すように、周波数応答位相は以下の遅延に対し完全な直線性を有する。
Ｔｄｅｌａｙ＝Ｔｉｎｔ／２                                        （８）
【００５２】
周期的な切り目は、以下に示す周波数ｆＮで生じる。
ｆＮ＝Ｎ／Ｔｉｎｔ                                                （９）
式中、Ｎ＝１，２，３．．．である。
【００５３】
ＡＤＣサンプリング周波数を以下の通りに選択する。
ｆｓ＝１／Ｔｉｎｔ                                                （１０）
【００５４】
図４にＴｉｎｔ＝０．１ｓ（ｆｓ＝１０Ｈｚ）で示す周波数応答は、３ｄＢコーナー周波数が４．４Ｈｚであり、１０Ｈｚの第１切り目（減衰量無限大）に移行する。したがって、積分及びホールド動作は、アンチエイリアスフィルタとして非常に有効であり、ナイキスト周波数（ｆｓ／２）を超える周波数を非常に急速に減衰させる。多くの周辺光又は赤外線通信用途にアンチエイリアスフィルタ回路の追加が不要となるため、本発明の光センサシステムに必要となる領域が最小化できる。
【００５５】
周期的な切り目は、交流線周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の倍数であってもよい。これにより、４．４Ｈｚコーナーを超に対する２０ｄＢ／ｄｅｃロールオフによる、１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚでのこれまでの約３０ｄＢの阻止に加え、蛍光フリッカー防止の効果が得られる。また、Ｔｉｎｔ＝１／Ｆｓの別の選択肢として、８３．３３．．．ｍｓを利用してもよく、その場合、切り目が１２Ｈｚの倍数となり、５．３３Ｈｚの−３ｄＢコーナー周波数となる。
【００５６】
積分／リセット機能に必要となる総電流は、毎サンプル期間又は周期でＣｉｎｔをｖｒｅｆにプリチャージするのに必要な電流から求められる。周期毎に積分コンデンサＣｉｎｔが完全に放電されることを想定した平均電流は以下の通りとなる。
Ｉａｖｇ＝ｖｒｅｆ・Ｃｉｎｔ／Ｔｉｎｔ                              （１１）
【００５７】
説明のため、ｖｒｅｆ＝１．８Ｖ、Ｃｉｎｔ＝１４５ｐＦ、Ｔｉｎｔ＝１００ｍＳの光センサシステムでは、積分器の平均電流Ｉａｖｇ＝２．６ｎＡ（名目値）となる。これにより、サンプル期間又は周期毎に、フォトダイオード電流によりＣｉｎｔが完全に放電されることが想定される。平均供給電流は、フォトダイオードアレイ２０２により生成される平均総電流と等しいことが理解されよう。
【００５８】
したがって、低電力損失のためには、フォトダイオードアレイ２０２により生成される電流を低減する必要があり、積分期間Ｔｉｎｔを通じたフルスケール遷移のための積分コンデンサＣｉｎｔの値を小さくする必要がある。上記のことから、最適な最小電力、最小設計は、最小サイズのフォトダイオード接合と、小さな積分コンデンサＣｉｎｔを備えるフォトダイオードアレイ２０２を有してもよい。当業者には理解されるように、サイズの最小化は、サンプリングノイズ、スイッチチャージインジェクション及び回路及び装置に関するその他の考慮事項により限定され得る。
【００５９】
図５は、本発明の別の例示的実施形態に係る、暗電流キャンセル光センサシステム５００の部分概略図、部分ブロック図を示す。光センサシステム５００は、フォトダイオードＤＧ１からＤＧ５を含み、第１カソードノード５０４に結合されたフォトダイオードアレイ５０２と、第１積分／ホールド回路５０６と、第２カソードノード５１０に結合された暗電流フォトダイオード５０８と、第２積分／ホールド回路５１２と、入力選択スイッチ５１４と、Ａ／Ｄコンバータ５１６と、第１レジスタ５１８と、第２レジスタ５２０と、出力データ信号５２４を提供する減算器５２２と、を有する。フォトダイオードアレイ５０２及び積分／ホールド回路５０６は、それぞれ図２を参照に上述した光センサシステム２００のフォトダイオードアレイ２０２及び積分／ホールド回路２０４と同様に動作して、第１積分出力電圧Ｉｎｔ＿ｖｏｕｔを生成する。
【００６０】
上述したように、シリコン半導体フォトダイオードは、暗電流を生成し、暗電流は、漏電機構によるもので、入射光とは無関係に存在し、フォトダイオードの温度と電圧に比例し得る。したがって、引き続き以下に詳述するように、暗電流フォトダイオードアレイを利用してこれを相殺してもよい。暗電流フォトダイオードアレイ５０８は、１つ又は２つ以上のフォトダイオードＤＧ１ａからＤＧ５ａを有し、カソード端子はカソードノード５１０に選択的に結合される。フォトダイオードアレイ２０２及び５０２と同様の方法で、信号処理回路により提供されるｐｄ＿ｇａｉｎ信号の値により、暗電流フォトダイオードアレイ５０８の選択的結合が行われる。いくつかの例示的実施形態では、１つ又は２つ以上のフォトダイオードＤＧ１ａからＤＧ５ａの内の１つが第２カソードノード５１０に結合されていない場合、そのカソード端子は、回路接地に結合されてもよく、これにより半導体ダイオード接合に関連した寄生容量が放出される。１つ又は２つ以上のフォトダイオードＤＧ１ａからＤＧ５ａは、金属層のような遮光層に覆われるため、入射光５２６に応じて光電流を生成することはない。ただし、任意の好適な遮光層又はコーティングを利用してもよい。したがって、暗電流フォトダイオードアレイ５０８により生成される総電流は、前記選択された１つ又は２つ以上のフォトダイオードＤＧ１ａからＤＧ５ａにより生成される１つだけの暗電流又は漏洩電流成分を含む。フォトダイオードＤＧ１ａからＤＧ５ａ、ＤＧ１からＤＧ５を、例えば同一のシリコンウェハにより、同時に製造する場合、及び対応するフォトダイオード（ＤＧ１とＤＧ１ａ、ＤＧ２とＤＧ２ａ等）が同一の有効寸法及び面積を有する場合、フォトダイオードＤＧ１ａからＤＧ５ａにより生成される暗電流は、フォトダイオードアレイ５０２のフォトダイオードＤＧ１からＤＧ５により生成される暗電流と大きさが非常に近いことが当業者には理解されよう。
【００６１】
第２積分／ホールド回路５１２は、第２積分コンデンサＣｉｎｔａと、第２ホールドスイッチＳ３ａと、第２プリチャージスイッチＳ４ａと、を有する。第２ホールドスイッチＳ３ａは、ホールド信号ｈｏｌｄＢの値に基づき、第２カソードノード５１０を第２積分コンデンサＣｉｎｔａに選択的に結合する。好ましくは、第２ホールドスイッチＳ３ａは、ホールド信号ｈｏｌｄＢが論理１又は高電圧値を示す場合に閉じ、ホールド信号ｈｏｌｄＢが論理０又は低電圧値を示す場合に開くように構成される。第２プリチャージ信号Ｓ４ｓは、プリチャージ信号ＰＲＣＨＲＧの値に基づき、第２積分コンデンサＣｉｎｔａを基準電圧ｖｒｅｆに選択的に結合する。好ましくは、第２プリチャージスイッチＳ４ａは、プリチャージ信号ＰＲＣＨＲＧが論理１又は高電圧値を示す場合に閉じ、プリチャージ信号ＰＲＣＨＲＧが論理０又は低電圧値を示す場合に開くように構成される。第２積分コンデンサＣｉｎｔａは、積分出力電圧ノードＩｎｔ＿ｖｏｕｔに更に結合される。動作中、第２積分コンデンサＣｉｎｔａは基準電圧ｖｒｅｆにプリチャージされ、暗電流フォトダイオードアレイ５０８から引き出された電流を積分し、第２積分出力電圧Ｉｎｔ＿ｖｏｕｔａを生成する。
【００６２】
入力選択スイッチ５１４は、Ａ／Ｄコンバータ５１６の入力に、第１積分出力電圧Ｉｎｔ＿ｖｏｕｔ又は第２積分出力電圧Ｉｎｔ＿ｖｏｕｔａのいずれか１つを選択的に結合するように構成される。選択的結合は、信号処理回路又はコントローラにより提供される選択制御信号ｓｅｌに基づき決定されてもよい。
【００６３】
Ａ／Ｄコンバータ５１６は、入力選択スイッチ５１４により選択的に結合された電圧を受け取り、デジタル出力値を提供するように構成される。本例示的実施形態において、Ａ／Ｄコンバータ５１６は、積分出力電圧Ｉｎｔ＿ｖｏｕｔに対応するデジタル出力値を第１レジスタ５１８に、積分出力電圧Ｉｎｔ＿ｖｏｕｔａに対応するデジタル出力値を第２レジスタ５２０に選択的に記憶する。選択的記憶は、選択制御信号ｓｅｌに基づき決定されてもよい。Ａ／Ｄコンバータ５１６は、イネーブル信号ａｄｃ＿ｅｎ＿ｒｓｔを受信するように構成されてもよい。いくつかの例示的実施形態では、Ａ／Ｄコンバータ５１６は、ａｄｃ＿ｅｎ＿ｒｓｔが論理０の値を示す場合にリセットされ、ａｄｃ＿ｅｎ＿ｒｓｔが論理１の値に遷移する場合に変換動作を開始するように構成される。減算器５２２は、第１レジスタ５１８及び第２レジスタ５２０の値間の差分に基づき出力データ信号５２４を生成する。このように、出力データ信号５１４はフォトダイオードアレイ５０２からの積分光電流、及びフォトダイオードアレイ５０２と暗電流フォトダイオードアレイ５０８との間の暗電流の差を示す。暗電流の大きさが非常に近い場合、及び積分時間が同一である場合、暗電流差は０に近くなり、出力データ信号５１４はフォトダイオードアレイ５０２からの積分光電流を示す。
【００６４】
光センサシステム２００について説明したのと同様の方法で、光強度が非常に低ければ、フォトダイオードアレイ５０２及び５０８の全４０９６個のフォトダイオードを、５ビットゲイン制御ｐｄ＿ｇａｉｎ＜４：０＞により選択してもよい。これにより、光電流生成のために、最大の接合領域が提供され、光感度が最大となるが、暗電流も最大となる。ＳＮ比（ＳＮＲ）又は光電流と暗電流との比を改善するために、光センサシステム５００は、不要な暗電流成分を測定し、フォトダイオードアレイ５０２と暗電流フォトダイオードアレイ５０８、第１積分／ホールド回路５０６と第２積分／ホールド回路５１２とがそれぞれ一致する範囲で、不要な暗電流成分を数学的にキャンセルする。
【００６５】
図６は、集積回路ダイ６００上の例示の光遮断及び光通過特徴を示す。集積回路ダイ６００は、光通過領域６０２、光遮断領域６０４、接着パッド６０６、パッシベーション開口部６０８及び光遮断層開口部６１０を備える。光通過領域６０２は、例えば、半導体処理において実現される１つ又は複数のフォトダイオードアレイ（不図示）の上に位置付けられる。好ましい例示的実施形態では、光通過領域６０２は、できる限り多くの光をフォトダイオードに到達することを可能にし、それによって感度を最大化する。これは、製造に利用される半導体処理において、又は後処理において許容される、ポリシリコン、金属、酸化物、窒化物、ポリイミド、及び１つ又は複数のフォトダイオードアレイ上の他の層を除去することを通じて行われてもよい。光通過領域６０２はまた、例えば、反射防止コーティング、フィルタ、及び／又は拡散器等の光検出を最適化する他の特別な処理を受信してもよい。光遮断領域６０４は、露光量を必要としないダイ上の他の回路を覆ってもよい。他の回路の性能は、例えば、先に述べた通り、コンタクトレンズ内への組み込みのために必要とされる超低電流回路において、バイアス電圧及び発振器周波数を変化すること等、光電流によって低下され得る。光遮断領域６０４は、薄い、不透明性材料で優先的に形成され、例えば、アルミニウム、銅、又はチタニウムが、半導体ウエハ処理及び後処理において既に使用されている。光遮断領域６０４を形成する材料は、導電性金属を使用して実現される場合、短絡状態を防止するために、回路下部及び接着パッド６０６から絶縁されなければならない。このような絶縁は、例えば、酸化物、窒化物、及び／又はポリイミドなどの、通常のウエハパッシベーションの一部としてダイ上に既に存在するパッシベーションによって、又は後処理の間に追加される他の誘電体によって実現されてもよい。マスキングは、伝導性の光遮断金属が、ダイ上の接着パッドと重なり合わないように、光遮断層開口部６１０を許容する。光遮断領域６０４は、ダイ接着の間にダイを保護し、短絡を回避するために、追加の誘電体又はパッシベーションで覆われる。この最終パッシベーションは、接着パッド６０６への接続を可能にするためにパッシベ−ション開口部６０８を有する。
【００６６】
図７は、本発明に従うまばたき検出システムを備える電子インサートを有する例示のコンタクトレンズを示す。コンタクトレンズ７００は、電子インサート７０４を備えるソフトプラスチック部分７０２を備える。このインサート７０４は、例えば、作動に応じて近く又は遠くに焦点を合わせること等、電子機器によって作動化されるレンズ７０６を含む。集積回路７０８は、インサート７０４上に装着し、バッテリ７１０、レンズ７０６、及びシステムの必要性に応じて他の構成要素に接続する。集積回路７０８は、フォトダイオードアレイ７１２及び関連した光センサ信号経路回路を含む。フォトダイオードアレイ７１２は、レンズインサートを通して外側を向き、目から離れているため、周辺光を受信することができる。フォトダイオードアレイ７１２は、例えば、１つのフォトダイオード又はフォトダイオードのアレイとして、集積回路７０８上に実装され得る（図示）。フォトダイオードアレイ７１２はまた、インサート７０４上に装着され、かつワイヤリング配線７１４と接続された、別デバイスとして実現されてもよい。まぶたが閉じるときに、光センサ７１２を含むレンズインサート７０４は覆われ、それによって、光センサ７１２に入射する光レベルを低減する。光センサ７１２は、周辺光及び／又は赤外線光を測定可能である。
【００６７】
本発明の光センサシステムによる追加の考察により、光センサシステム及び当該システムが内蔵され得る電動又は電子式眼科用レンズの必要面積、体積又はコストの更なる低減が可能となる。
【００６８】
積分容量Ｃｉｎｔは、逐次比較型Ａ／Ｄコンバータ（ＳＡＲ  ＡＤＣ）内のフィードバックＤＡＣコンデンサアレイのようなＡ／Ｄコンバータの入力容量により部分的に形成されてもよい。なお、これは図５を参照に説明した例示的実施形態において、２つのフォトダイオードアレイの積分期間が同時でない場合に該当する。
【００６９】
図５の光センサシステムでは、１つのＡ／Ｄコンバータは２つの数値を変換するために使用している。異なる実施形態として、２つのＡ／Ｄコンバータを使用してもよいが、使用されるのが１つであればそのＡ／Ｄコンバータに固有のあらゆるオフセットをキャンセルできるが、Ａ／Ｄコンバータが２つあるシステムの場合、コンバータ間のオフセットがずれることで、オフセットが残留することがある。
【００７０】
好ましくは、フォトダイオードアレイは、ＣＭＯＳ技術で実現され、これにより積分能力を向上し、光センサシステム、信号処理及びシステムコントローラ回路の全体サイズを小さくする。好ましくは、光センサシステムでは、信号処理回路及びシステムコントローラ回路は、１つのシリコンダイに統合され、これにより、相互接続配線用の電動又は電子式眼科用レンズにおいて、及びボンディングパッド用又はバンピングパッド用のダイ上に必要な面積が減少する。
【００７１】
ダイナミックレンジがより小さいことが求められる場合、フォトダイオードアレイのフォトダイオードの数がより少なくてもよいことが当業者には理解されよう。例えば、いくつかの実施形態では、フォトダイオードアレイは１つのフォトダイオードを有すれば十分な場合がある。フォトダイオードは、１つのフォトダイオード要素を有するものであってもよい。ただし、フォトダイオードの数を増やすことで、多数の共通デザイン（寸法、面積、拡散タイプ）の相互接続（たとえば並列）フォトダイオード要素により最上のゲインスケーリングが実現され得る。
【００７２】
図示及び説明されたものは、最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるが、説明及び図示した特定の設計及び方法からの変更がそれ自体当業者にとって自明であり、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく使用できることは明らかであろう。本発明は、説明及び図示される特定の構造に限定されるものではないが、添付の特許請求の範囲に含まれ得るすべての改変例と一貫性を有するものとして解釈されるべきである。
【００７３】
〔実施の態様〕
（１）  電動式眼科用装置であって、
第１出力電流を生成する１つ又は２つ以上のフォトダイオードを有する第１センサと、
前記第１出力電流を受け取り、それを第１出力電圧に変換する第１積分器であって、第１スイッチ及び第１コンデンサを有し、所定の積分期間にわたって前記第１出力電流を積分するように構成された、第１積分器と、を有する、電動式眼科用装置。
（２）  前記フォトダイオードからの前記第１出力電流の成分が、入射光に比例する、実施態様１に記載の電動式眼科用装置。
（３）  前記所定の積分期間は、不要な信号の期間に応じたものである、実施態様１に記載の電動式眼科用装置。
（４）  基準電圧源を更に備え、前記第１スイッチは、前記第１コンデンサを前記基準電圧源に選択的に結合するように構成された、実施態様１に記載の電動式眼科用装置。
（５）  前記第１センサは、まず前記第１スイッチを閉じてプリチャージ期間に前記第１コンデンサをプリチャージし、次に前記第１スイッチを所定の積分期間開放するように更に構成された、実施態様１に記載の電動式眼科用装置。
【００７４】
（６）  前記第１センサのゲイン及び／又は感度が可変となるよう、前記１つ又は２つ以上のフォトダイオードが前記第１コンデンサに選択的に結合されている、実施態様１に記載の電動式眼科用装置。
（７）  前記１つ又は２つ以上のフォトダイオードの選択的結合は、前記出力電圧の関数に基づく、実施態様６に記載の電動式眼科用装置。
（８）  前記第１積分器は、前記積分器の前記出力電圧が所定のホールド期間ホールドされるよう、前記コンデンサを、前記１つ又は２つ以上のフォトダイオードに選択的に結合するように構成された第２スイッチを更に備える、実施態様１に記載の電動式眼科用装置。
（９）  前記第１出力電圧を受け取り、前記第１出力電圧に基づきデジタル出力信号を提供するように構成されたＡ／Ｄコンバータを更に備える、実施態様１に記載の電動式眼科用装置。
（１０）  第２出力電流を生成する１つ又は２つ以上のフォトダイオードを有する第２センサと、
前記第２出力電流を受け取り、それを第２出力電圧に変換する第２積分器であって、第３スイッチ及び第２コンデンサを有し、前記所定の積分期間にわたって前記第２出力電流を積分するように構成された、第２積分器と、
実質的にすべての入射光を、前記第２センサに到達しないように遮断するように構成された遮光要素と、を更に備える、実施態様９に記載の電動式眼科用装置。
【００７５】
（１１）  前記第１出力電圧を前記Ａ／Ｄコンバータに選択的に結合するように構成された第１出力電圧スイッチと、
前記Ａ／Ｄコンバータのデジタル出力を選択的に受け取るか、それ以前の時間での前記Ａ／Ｄコンバータの前記デジタル出力に基づく記憶された値をホールドするように構成された第１デジタルレジスタと、
前記第２出力電圧を前記Ａ／Ｄコンバータに選択的に結合するように構成された第２出力電圧スイッチと、
前記第１デジタルレジスタ及び前記Ａ／Ｄコンバータに結合されるデジタル減算器と、を更に備える、実施態様１０に記載の電動式眼科用装置。
（１２）  電動式眼科用装置であって、
第１出力電流を生成する１つ又は２つ以上のフォトダイオードを含む第１センサと、
前記第１出力電流を受け取り、それを下流での使用のために第１出力電圧に変換する第１積分器であって、第１スイッチ及び第１コンデンサを有し、所定の積分期間にわたって前記第１出力電流を積分するように構成された、第１積分器と、
基準電圧源であって、前記第１スイッチが、前記第１コンデンサを前記基準電圧源に選択的に結合するように構成された、基準電圧源とを有し、前記フォトダイオードからの前記第１出力電流の成分が、入射光に比例し、前記所定の積分期間は不要な信号の期間に応じたものであり、前記第１センサは、まず前記第１スイッチを閉じてプリチャージ期間に前記第１コンデンサをプリチャージし、次に所定の積分期間、前記第１スイッチを開くように更に構成され、前記センサのゲイン及び／又は感度が可変となるよう、前記１つ又は２つ以上のフォトダイオードが前記第１コンデンサに選択的に結合されている、電動式眼科用装置。
（１３）  光感知装置であって、
第１出力電流を生成する１つ又は２つ以上のフォトダイオードを有する第１センサと、
前記第１出力電流を受け取り、それを第１出力電圧に変換する第１積分器であって、第１スイッチ及び第１コンデンサを有し、所定の積分期間にわたって前記第１出力電流を積分するように構成された、第１積分器と、を有する、光感知装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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