ПОМЕХОЗАЩИЩЕННАЯ ФОТОДЕТЕКТОРНАЯ СИСТЕМА
ANTI-ALIASING PHOTODETECTOR SYSTEM

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к офтальмологической линзе с электропитанием или электронной офтальмологической линзе или другому подобному устройству и, более конкретно, к помехозащищенной фотодетекторной цепи, включающей в себя интегратор, имеющий, по меньшей мере, один конденсатор и ключ для преобразования тока в напряжение, для использования в маломощных вариантах применения и/или вариантах применения большого динамического диапазона с надлежащим поглощением/подавлением шума.
2. Обсуждение предшествующего уровня техники
Поскольку электронные устройства продолжают уменьшаться в размерах, все более вероятным становится создание пригодных для ношения или встраивания микроэлектронных устройств для различных областей применения. Такие области применения могут включать в себя отслеживание биохимических процессов в организме, введение регулируемого количества доз лекарственных средств или терапевтических агентов посредством различных механизмов, включая автоматические, в ответ на измерения или в ответ на внешние сигналы управления и усиление функциональных процессов в органах или тканях. Примеры таких устройств включают в себя инфузионные помпы для введения глюкозы, электрокардиостимуляторы, дефибрилляторы, желудочковые устройства вспомогательного кровообращения и нейростимуляторы. Новой и особенно перспективной областью применения являются пригодные для ношения офтальмологические линзы и контактные линзы. Например, пригодная для ношения линза может содержать узел линзы, имеющий фокус с возможностью электронного регулирования для увеличения или улучшения функции глаза. В другом примере пригодная для ношения контактная линза либо с регулируемым фокусом, либо без такового может содержать электронные датчики для обнаружения концентраций отдельных химических веществ в прекорнеальной (слезной) пленке. Применение встроенной электроники в узле линзы предполагает потенциальную потребность в установлении связи с электроникой, способе питания и/или повторной подачи напряжения в электронику, взаимном соединении электроники, внутреннем и внешнем измерении и/или отслеживании, а также в управлении электроникой и общими функциями линзы.
Человеческий глаз способен различать миллионы цветов, легко приспосабливаться к изменению условий освещенности и передавать сигналы или информацию в головной мозг со скоростью, превышающей высокоскоростное Интернет-соединение. В настоящее время линзы, такие как контактные линзы и интраокулярные линзы, используются для коррекции таких дефектов зрения, как миопия (близорукость), гиперметропия (дальнозоркость), пресбиопия и астигматизм. Однако правильно выполненные линзы, содержащие дополнительные компоненты, можно использовать для улучшения зрения, а также для коррекции дефектов зрения.
Контактные линзы можно использовать для коррекции миопии, гиперметропии, астигматизма, а также других дефектов остроты зрения. Контактные линзы также можно использовать для улучшения естественного внешнего вида глаз пользователя. Контактные линзы или «контакты» - это просто линзы, расположенные на передней поверхности глаза. Контактные линзы относятся к медицинским устройствам и могут применяться для коррекции зрения и/или из косметических или иных терапевтических соображений. Контактные линзы используются для продажи с целью улучшения зрения с 1950-х годов. Первые контактные линзы изготавливались или производились из твердых материалов, были относительно дорогими и хрупкими. Кроме того, такие первые контактные линзы производились из материалов, которые не обеспечивали достаточного проникновения кислорода через контактную линзу в конъюнктиву и роговицу, что могло потенциально повлечь за собой ряд неблагоприятных клинических эффектов. Хотя такие контактные линзы все еще используются, они подходят не всем пациентам ввиду своего низкого уровня первоначального комфорта. Дальнейшие разработки в данной области привели к созданию мягких контактных линз на основе гидрогелей, которые чрезвычайно популярны и широко используются в настоящее время. В частности, силикон-гидрогелевые контактные линзы, доступные в настоящее время, сочетают преимущества силикона, который обладает исключительно высокой кислородной проницаемостью, с доказанным комфортом и клиническими характеристиками гидрогелей. Такие силикон-гидрогелевые контактные линзы по существу обладают более высокой кислородной проницаемостью, и их в целом удобнее носить, чем контактные линзы, изготовленные из применявшихся в прошлом твердых материалов.
Традиционные контактные линзы представляют собой полимерные структуры особых форм для коррекции различных проблем со зрением, кратко изложенных выше. Для достижения улучшенных функциональных возможностей различные схемы и компоненты должны быть встроены в эти полимерные структуры. Например, управляющие схемы, микропроцессоры, устройства связи, источники питания, датчики, исполнительные механизмы, светодиоды и миниатюрные антенны могут быть встроены в контактные линзы посредством изготовленных на заказ оптоэлектронных компонентов, предназначенных не только для коррекции зрения, но и для улучшения зрения, а также обеспечения дополнительных функциональных возможностей, как объясняется в настоящем документе. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения зрения посредством увеличения или уменьшения фокусного расстояния или простого изменения рефракционных свойств линз. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью усиления цвета и разрешающей способности, отображения информации о текстуре, преобразования речи в субтитры в режиме реального времени, передачи визуальных ориентиров от навигационной системы и обеспечения обработки изображений и доступа к Интернету. Линзы могут быть выполнены с возможностью предоставления пользователю возможности видеть в условиях низкой освещенности. Надлежащим образом выполненные электронные компоненты и/или расположение электронных компонентов на линзах могут позволить проецировать изображение на сетчатку, например, без оптической линзы с переменным фокусом, предоставить новые устройства отображения изображения и даже предоставить предупреждения для пробуждения. Альтернативно или в дополнение к любой из этих функций или подобным функциям, контактные линзы могут содержать компоненты для неинвазивного отслеживания биомаркеров и показателей здоровья пользователя. Например, датчики, встроенные в линзы, могут позволять пациенту, страдающему сахарным диабетом, принимать таблетки в соответствии с уровнем сахара в крови путем анализа компонентов слезной пленки без необходимости забора крови. Кроме того, соответствующим образом сконфигурированная линза может содержать датчики для отслеживания уровней холестерина, натрия и калия, а также других биологических маркеров. В сочетании с беспроводным передатчиком данных это может предоставить врачу практически немедленный доступ к результатам биохимического анализа крови пациента без необходимости траты времени на посещение пациентом лаборатории и проведение забора крови. Кроме того, датчики, встроенные в линзы, могут использоваться для обнаружения света, падающего на глаз, для компенсации условий внешней освещенности или для применения при определении характера моргания.
Надлежащее сочетание устройств может давать неограниченные функциональные возможности; однако существует ряд трудностей, связанных со встраиванием дополнительных компонентов во фрагмент полимера оптического качества. В целом изготовление таких компонентов непосредственно на линзе, а также монтаж и взаимное соединение плоских устройств на неплоской поверхности являются затруднительными по ряду причин. Также затруднительно изготовить их в масштабе. Компоненты, предназначенные для размещения на линзе или в ней, необходимо уменьшить в размере и встроить в прозрачный полимер размером всего 1,5 квадратного сантиметра, защищая при этом компоненты от жидкой среды глаза. Также затруднительно изготовить комфортную и безопасную для пользователя контактную линзу с увеличенной толщиной, необходимой для размещения дополнительных компонентов.
Учитывая ограничения по площади и объему офтальмологического устройства, такого как контактная линза, и среду, в которой оно должно использоваться, для физической реализации устройства необходимо преодолеть ряд проблем, включая монтаж и взаимное соединение ряда электронных компонентов на неплоской поверхности, большая часть которой состоит из оптического пластика. Соответственно, существует необходимость в создании механически и электрически надежной электронной контактной линзы.
Поскольку данные линзы представляют собой линзы с электропитанием, существует проблема потребления энергии или, более конкретно, тока, который приводит в действие электронику, учитывая технологию аккумулятора в масштабе офтальмологической линзы. В дополнение к обычному потреблению тока, устройства или системы с электропитанием такого типа в целом требуют запасов тока в холостом режиме, точного управления напряжением и возможностей переключения для обеспечения работы в потенциально широком диапазоне рабочих параметров, а также при пиковом потреблении, например, до восемнадцати (18) часов на одном заряде после потенциального отсутствия активности в течение нескольких лет. Соответственно, существует потребность в системе, оптимизированной для низкозатратной, продолжительной и надежной работы, обеспечивающей безопасность и размер, сохраняя при этом требуемое низкое потребление энергии.
Кроме того, учитывая сложность функциональных возможностей, связанных с линзой с электропитанием, и высокий уровень взаимодействия между всеми компонентами, содержащимися в линзе с электропитанием, существует необходимость в координации и управлении всей работой электроники и оптики, содержащихся в офтальмологической линзе с электропитанием. Соответственно, существует необходимость в безопасной, низкозатратной и надежной системе для управления работой всех остальных компонентов, которая имеет низкий уровень потребления энергии и является масштабируемой для встраивания в офтальмологическую линзу.
В офтальмологических линзах с электропитанием или электронных офтальмологических линзах могут использоваться датчики внешнего или инфракрасного света для обнаружения условий внешней освещенности, моргания пользователя и/или сигналов инфракрасной связи от другого устройства. В качестве средств управления одним или более аспектами офтальмологической линзы с электропитанием могут использоваться обнаружение моргания или связь в оптическом диапазоне. Человеческий глаз способен функционировать в большом динамическом диапазоне уровней освещенности от приблизительно 1 люкса до свыше 100 000 люксов. Следовательно, светочувствительные датчики, подходящие для применения в офтальмологических линзах с электропитанием, должны быть рассчитаны на работу в очень широком динамическом диапазоне уровней внешней освещенности. Дополнительно на практике условия освещенности могут содержать источники света, накладывающие шум и помехи на энергию падающего света. Например, офисный флуоресцентный свет характеризуется существенным мерцанием, частота которого в два раза выше частоты сети, при этом амплитудная величина изменяется на значение порядка 30 процентов от уровня средней освещенности с частотой 120 Гц при работе от электрической сети с частотой 60 Гц, как это имеет место в Соединенных Штатах.
Датчики внешнего света или фотодетекторы используются во многих системах и продуктах, например в телевизорах для регулировки яркости в соответствии с освещением в комнате, в светильниках для включения в сумерках, а также в телефонах для регулировки яркости экрана. В традиционных фотодетекторных системах используется фотодиод для создания фототока, пропорционального энергии падающего света, и цепь с операционным усилителем, выполненная в виде операционного усилителя с токовой обратной связью, с целью обеспечения сигнала напряжения для управляющих схем, выполняющих требуемые функции, такие как дистанционное управление или регулировка яркости экрана. В некоторых системах дистанционного управления используется режекторный фильтр внешнего света и принимается амплитудно-модулированный несущий сигнал, имеющий частоту в диапазоне от 30 кГц до 50 кГц, который пропускается через каскад полосовой фильтрации для выделения требуемого модулированного несущего сигнала и отклонения нежелательных сигналов. Однако эти существующие фотодетекторные системы не характеризуются достаточно низким потреблением энергии или достаточно большим динамическим диапазоном для применения в офтальмологических линзах с электропитанием. Кроме того, применение полосового фильтра и/или режекторных фильтров внешнего света для инфракрасной связи не позволяет обнаруживать уровни внешней освещенности одним и тем же датчиком и потребует дополнительную схему или датчики для обнаружения внешнего света и моргания.
Таким образом, существует потребность в создании фотодетекторной системы, подходящей для встраивания в офтальмологические линзы с электропитанием или электронные офтальмологические линзы. Применяемая фотодетекторная система предпочтительно характеризуется низким потреблением энергии, широким динамическим диапазоном, подавлением шумов и возможностью обнаружения как внешнего видимого света, так и инфракрасного света.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Офтальмологическая линза с электропитанием или электронная офтальмологическая линза, содержащая помехозащищенную фотодетекторную систему, в соответствии с настоящим изобретением лишена ограничений, связанных с предшествующим уровнем техники, как кратко описано выше.
В соответствии с одним аспектом, настоящее изобретение относится к офтальмологическому устройству с электропитанием. Офтальмологическое устройство с электропитанием содержит первый датчик, включающий в себя один или более фотодиодов, продуцирующих первый выходной ток; и первый интегратор, принимающий первый выходной ток и преобразующий его в первое выходное напряжение, причем первый интегратор содержит первый ключ и первый конденсатор и выполнен с возможностью интегрирования первого выходного тока в течение заданного периода времени интегрирования.
В соответствии с другим аспектом, настоящее изобретение относится к офтальмологическому устройству с электропитанием. Офтальмологическое устройство с электропитанием содержит первый датчик, включающий в себя один или более фотодиодов, продуцирующих первый выходной ток, первый интегратор, принимающий первый выходной ток и преобразующий его в первое выходное напряжение для дальнейшего применения, причем первый интегратор содержит первый ключ и первый конденсатор и выполнен с возможностью интегрирования первого выходного тока в течение заданного периода времени интегрирования, и источник опорного напряжения, причем первый ключ выполнен с возможностью выборочного соединения первого конденсатора с источником опорного напряжения; при этом составляющая первого выходного тока от фотодиодов пропорциональна падающему свету, заданный период времени интегрирования представляет собой функцию периода нежелательного сигнала, первый датчик дополнительно выполнен с возможностью сначала замыкания первого ключа для предварительной зарядки первого конденсатора в течение интервала времени предварительной зарядки и впоследствии размыкания первого ключа на заданный период времени интегрирования, и один или более фотодиодов выборочно соединены с первым конденсатором так, что коэффициент усиления и/или чувствительность датчика можно изменять.
В соответствии с еще одним аспектом, настоящее изобретение относится к светочувствительному устройству. Светочувствительное устройство содержит первый датчик, включающий в себя один или более фотодиодов, продуцирующих первый выходной ток, и первый интегратор, принимающий первый выходной ток и преобразующий его в первое выходное напряжение, причем первый интегратор содержит первый ключ и первый конденсатор и выполнен с возможностью интегрирования первого выходного тока в течение заданного периода времени интегрирования.
Настоящее изобретение относится к офтальмологическому устройству с электропитанием, такому как контактная линза, содержащему электронную систему, которая выполняет любое число функций, включая приведение в действие оптики с переменным фокусом, если она включена. Электронная система включает в себя один или более аккумуляторов или других источников питания, схему управления питанием, один или более датчиков, схему тактового генератора, алгоритмы и схему управления, а также схему привода линзы. Кроме того, электронная система в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержит фотодетекторную систему для преобразования тока от матрицы фотодетекторов в напряжение для применения с другими аспектами офтальмологического устройства с электропитанием.
Фотодетекторная система настоящего изобретения содержит фотодиодную матрицу, включающую в себя множество отдельных фотодиодов, цепь интегрирования и запоминания, включающую в себя конденсатор и ключ для преобразования тока в напряжение, и аналогово-цифровой преобразователь. Число фотодиодов, составляющих матрицу, можно варьировать для изменения чувствительности системы. Цепь интегрирования и запоминания заменяет операционный усилитель, тем самым снижая потребление энергии устройством, а также действует в качестве эффективного помехозащищающего фильтра, тем самым уменьшая общий размер системы, поскольку дополнительные фильтры не требуются. В соответствии с другими вариантами осуществления, для учета темнового тока или тока утечки можно использовать дополнительную схему. Фотодетекторная система настоящего изобретения обеспечивает низкое потребление энергии, широкий динамический диапазон, подавление шумов и возможность обнаружения падающего внешнего видимого света, а также падающего инфракрасного света.
Фотодетекторная система в соответствии с настоящим изобретением лишена характерных для устройств предшествующего уровня техники ограничений, кратко описанных выше. Более конкретно, фотодетекторная система настоящего изобретения может обнаруживать падающий видимый свет и сигналы инфракрасной связи в широком динамическом диапазоне уровней внешней освещенности и работать с низким потреблением энергии. Фотодетекторная система настоящего изобретения также может быть легко встроена в офтальмологическое устройство с электропитанием, такое как контактная линза, с учетом его размера.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеизложенные и прочие элементы и преимущества изобретения станут понятны после следующего более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, показанных на прилагаемых чертежах.
На Фиг. 1 представлен пример контактной линзы, содержащей фотодетекторную систему в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 2 схематически представлена фотодетекторная система в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 3 представлен пример временной диаграммы сигналов, связанных с фотодетекторной системой в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 4 графически представлен частотный отклик фотодетекторной системы в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 5 схематически представлена фотодетекторная система с гашением темнового тока в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 6 схематически представлены светоизолирующая и светопропускающая области на образце кристалла интегральной цепи в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 7 схематически представлен пример электронной вставки, включающей в себя фотодетекторную систему и расположенной в контактной линзе с электропитанием или электронной контактной линзе, в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Традиционные контактные линзы представляют собой полимерные структуры особых форм для коррекции различных проблем со зрением, кратко изложенных выше. Для достижения улучшенных функциональных возможностей различные схемы и компоненты могут быть встроены в эти полимерные структуры. Например, управляющие схемы, микропроцессоры, устройства связи, источники питания, датчики, исполнительные механизмы, светодиоды и миниатюрные антенны могут быть встроены в контактные линзы посредством изготовленных на заказ оптоэлектронных компонентов, предназначенных не только для коррекции зрения, но и для улучшения зрения, а также обеспечения дополнительных функциональных возможностей, как объясняется в настоящем документе. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения зрения посредством возможностей увеличения и уменьшения или простого изменения рефракционных возможностей линз. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью усиления цвета и разрешающей способности, отображения информации о текстуре, преобразования речи в субтитры в режиме реального времени, передачи визуальных ориентиров от навигационной системы и обеспечения обработки изображений и доступа к Интернету. Линзы могут быть выполнены с возможностью предоставления пользователю возможности видеть в условиях низкой освещенности. Надлежащим образом выполненные электронные компоненты и/или расположение электронных компонентов на линзах могут позволить проецировать изображение на сетчатку, например, без оптической линзы с переменным фокусом, предоставить новые устройства отображения изображения и даже предоставить предупреждения для пробуждения. Альтернативно или в дополнение к любой из этих функций или подобным функциям, контактные линзы могут содержать компоненты для неинвазивного отслеживания биомаркеров и показателей здоровья пользователя. Например, датчики, встроенные в линзы, могут позволять пациенту, страдающему сахарным диабетом, принимать таблетки в соответствии с уровнем сахара в крови путем анализа компонентов слезной пленки без необходимости забора крови. Кроме того, соответствующим образом сконфигурированная линза может содержать датчики для отслеживания уровней холестерина, натрия и калия, а также других биологических маркеров. В сочетании с беспроводным передатчиком данных это может предоставить врачу практически немедленный доступ к результатам биохимического анализа крови пациента без необходимости траты времени на посещение пациентом лаборатории и проведение забора крови. Кроме того, датчики, встроенные в линзы, могут использоваться для обнаружения света, падающего на глаз, для компенсации условий внешней освещенности или для применения при определении характера моргания.
Контактная линза с электропитанием или электронная контактная линза настоящего изобретения содержит элементы, необходимые для коррекции и/или улучшения зрения пациентов с одним или более из описанных выше дефектов зрения или выполнения полезных офтальмологических функций иным образом. Кроме того, электронная контактная линза может использоваться просто для улучшения нормального зрения или обеспечения широкого спектра функциональных возможностей, как описано выше. Электронная контактная линза может содержать оптическую линзу с переменным фокусом, переднее оптическое устройство в сборе, встроенное в контактную линзу, или же электронные компоненты встраиваются напрямую без линзы для обеспечения любой подходящей функциональной возможности. Электронная линза настоящего изобретения может быть встроена в любое число контактных линз, как описано выше. Кроме того, интраокулярные линзы могут также содержать различные компоненты и функциональные возможности, описанные в настоящем документе. Однако для простоты объяснения описание будет сфокусировано на электронной контактной линзе для коррекции дефектов зрения, предназначенной для однократного ежедневного применения.
Настоящее изобретение может быть использовано в офтальмологической линзе с электропитанием или контактной линзе с электропитанием, содержащей электронную систему, которая приводит в действие оптику с переменным фокусом или любое другое устройство или устройства, выполненные с возможностью реализации любого числа из многочисленных функций, которые могут быть выполнены. Электронная система включает в себя один или более аккумуляторов или других источников питания, схему управления питанием, один или более датчиков, схему тактового генератора, алгоритмы и схему управления, а также схему привода линзы. Сложность данных компонентов может варьироваться в зависимости от необходимых или желательных функциональных возможностей линзы.
Управление электронной офтальмологической линзой или офтальмологической линзой с электропитанием может осуществляться с помощью ручного внешнего устройства, которое связывается с линзой, такого как ручной блок дистанционного управления. Например, брелок может беспроводным образом связываться с линзой с электропитанием на основе ручного ввода данных пользователем. Альтернативно, управление офтальмологической линзой с электропитанием может осуществляться посредством сигналов обратной связи или управления, поступающих непосредственно от пользователя. Например, датчики, встроенные в линзу, могут обнаруживать моргания и/или характер моргания. На основании характера или последовательности морганий офтальмологическая линза с электропитанием может изменить состояние, например свою оптическую силу, чтобы сфокусироваться на близкорасположенном либо удаленном объекте.
С другой стороны, обнаружение моргания электронной офтальмологической линзой или офтальмологической линзой с электропитанием может применяться в различных других целях, когда пользователь взаимодействует с электронной контактной линзой, например, при активации другого электронного устройства или при передаче команды другому электронному устройству. Например, обнаружение моргания в офтальмологической линзе можно применять в сочетании с камерой на компьютере, причем камера отслеживает перемещения взгляда по экрану компьютера и, когда пользователь выполняет определенную последовательность моргания и она обнаруживается, указатель мыши выполняет команду, такую как двойной щелчок на элементе, выделение элемента или выбор пункта меню.
Алгоритм обнаружения моргания может представлять собой компонент системного контроллера, который обнаруживает характеристики морганий, например, закрыто веко или открыто, какова длительность моргания, каков интервал между морганиями и каково число морганий за заданный промежуток времени. Алгоритм в соответствии с настоящим изобретением основывается на выборке падающего света на глаз с определенной частотой выборки. Предварительно определенный характер моргания сохраняется и сравнивается с последними данными выборки падающего света. При выявлении соответствия шаблонам алгоритм обнаружения моргания может запустить операцию системного контроллера, например активировать приводной элемент линзы для изменения оптической силы линзы.
Моргание - это быстрое закрывание и открывание век, а также важная функция глаза. Моргание защищает глаз от посторонних объектов, например, человек моргает, когда объекты неожиданно появляются вблизи глаза. Моргание обеспечивает смазку передней поверхности глаза путем распределения по ней слезной жидкости. Моргание также служит для удаления загрязнений и/или раздражителей из глаза. Как правило, моргание происходит автоматически, но внешние факторы могут способствовать морганию, как и в случае с раздражителями. Однако моргание также может быть целенаправленным, например, люди, не способные к вербальному общению или общению с помощью жестов, могут моргнуть один раз, чтобы сказать «да», и два раза, чтобы сказать «нет». Алгоритм обнаружения моргания и система настоящего изобретения используют характер моргания, который невозможно спутать с нормальной реакцией глаза в виде моргания. Другими словами, если моргание должно использоваться в качестве средства управления действием, то конкретный характер, выбранный для определенного действия, не может осуществляться случайно; в противном случае могут происходить непреднамеренные действия. Поскольку скорость моргания зависит от целого ряда факторов, включая усталость, повреждение глаза, прием лекарственных средств и заболевание, в характере моргания, применяемом для целей управления, предпочтительно должны быть учтены эти и любые другие переменные факторы, влияющие на моргание. Средняя продолжительность непроизвольных морганий находится в диапазоне от приблизительно ста (100) до четырехсот (400) миллисекунд. В среднем взрослые мужчины и женщины моргают с частотой десять (10) непроизвольных морганий в минуту, а среднее время между непроизвольными морганиями составляет приблизительно от 0,3 до семидесяти (70) секунд. Важно отметить, что частота моргания человека может изменяться под действием прочих факторов, например, когда человек сосредотачивается или читает, частота моргания уменьшается, а когда человек утомляется, частота моргания увеличивается.
Однако, как сказано выше, фотодетекторная система настоящего изобретения предпочтительно выполнена для обеспечения дополнительных функциональных возможностей, помимо обнаружения моргания. Например, фотодетекторную систему настоящего изобретения можно использовать для обнаружения падающего видимого света и/или сигналов инфракрасной связи в любых целях.
На Фиг. 1 в виде структурной схемы показан пример контактной линзы 100 с электропитанием или электронной контактной линзы 100, содержащей фотодетекторную систему 102, цепь 104 обработки сигналов, системный контроллер 106, источник 108 питания и исполнительный механизм 110. Когда контактную линзу 100 располагают на передней поверхности глаза пользователя, фотодетекторную систему 102 могут использовать для обнаружения внешнего света, колебания уровней освещенности от падающего света или сигналов инфракрасной связи. Ниже описаны функциональные возможности и работа каждого из компонентов, составляющих пример контактной линзы 100 с электропитанием.
В соответствии с этим примером осуществления, фотодетекторная система 102 может быть встроена в контактную линзу 100, может принимать внешний или инфракрасный свет 101 и передавать в цепь 104 обработки сигналов сигнал 112 данных, величина которого представляет энергию света, падающего на контактную линзу 100. Фотодетекторная система 102 и цепь 104 обработки сигналов могут быть выполнены с возможностью двунаправленной передачи данных. Другими словами, цепь 104 обработки сигналов может передавать в фотодетекторную систему 102 один или более сигналов, примеры которых изложены далее. Цепь 104 обработки сигналов можно использовать для обработки цифровых сигналов, включая одно или более из фильтрации, обработки, обнаружения и иного управления данными/обработки данных с целью обеспечения обнаружения падающего света для последующего применения. Цепь 104 обработки сигналов может быть выполнена с возможностью обнаружения заданных последовательностей колебания света, указывающих на конкретный характер моргания или протоколы инфракрасной связи. При обнаружении заданной последовательности цепь 104 обработки сигналов может передавать сигнал 114 указания в системный контроллер 106, а в ответ системный контроллер 106 может выполнять действия для изменения состояния исполнительного механизма 110, например, путем активации, деактивации или изменения рабочего параметра, такого как амплитуда или рабочий цикл исполнительного механизма 110. Системный контроллер 106 и цепь 104 обработки сигналов могут быть выполнены с возможностью двунаправленной передачи данных. Другими словами, системный контроллер 106 может передавать в цепь 104 обработки сигналов один или более сигналов, примеры которых изложены далее.
Системный контроллер 106 может передавать в фотодетекторную систему 102 сигнал обратной связи для изменения коэффициента усиления фотодетекторной системы 102 в зависимости от уровней внешней освещенности, чтобы увеличить динамический диапазон системы до максимума.
В некоторых вариантах осуществления цепь 104 обработки сигналов может быть реализована в виде цифровой логической цепи и фотодетекторной системы 102, выполненной с возможностью обеспечения сигнала 112 цифровых данных. Системный контроллер 106 также может быть реализован в виде цифровой логической цепи и может быть реализован в виде отдельного компонента цепи 104 обработки сигналов или может быть объединен с цепью 104 обработки сигналов. Цепь 104 обработки сигналов и системный контроллер 106 могут быть реализованы в виде заказных логических схем, перепрограммируемых логических схем или одного или более микроконтроллеров, хорошо известных специалистам в данной области. Цепь 104 обработки сигналов и системный контроллер 106 могут содержать вспомогательное запоминающее устройство для сохранения архивных значений сигнала 112 данных или сведений о состоянии системы. Важно отметить, что может использоваться любая подходящая конструкция и/или конфигурация.
Источник 108 питания обеспечивает питанием множество компонентов, содержащих контактную линзу 100. Питание может подаваться от аккумулятора, устройства сбора энергии или другого подходящего средства, известного специалисту в данной области. По существу, любой тип источника 108 питания может быть использован для обеспечения надежного питания для всех других компонентов системы. Для изменения состояния системы и/или системного контроллера, как изложено выше, могут быть использованы последовательность моргания или сигнал инфракрасной связи, характеризующиеся заданной последовательностью или значением сообщения. Кроме того, системный контроллер 106 может контролировать другие аспекты контактной линзы с электропитанием в зависимости от входного сигнала от процессора 104 сигналов, например, путем изменения фокусировки или оптической силы линзы с электронным управлением посредством исполнительного механизма 110. Как показано, источник 108 питания соединен с каждым из других компонентов и может быть соединен с любым дополнительным элементом или функциональным блоком, которому требуется питание.
Исполнительный механизм 110 может содержать любое подходящее устройство для реализации конкретного действия на основании принятого командного сигнала. Например, при обнаружении активирующей последовательности моргания, как описано выше, системный контроллер 106 может активировать исполнительный механизм 110 для управления элементом с изменяемыми оптическими свойствами электронной линзы или линзы с электропитанием. Исполнительный механизм 110 может содержать электрическое устройство, механическое устройство, магнитное устройство или любую их комбинацию. Исполнительный механизм 110 принимает сигнал от системного контроллера 106, а также питание от источника 108 питания и производит некоторое действие на основании сигнала от системного контроллера 106. Например, если сигнал системного контроллера 106 указывает на то, что пользователь пытается сфокусироваться на близком объекте, исполнительный механизм 110 может использоваться для изменения оптической силы электронной офтальмологической линзы, например, посредством динамической многожидкостной оптической зоны. В альтернативном примере осуществления системный контроллер 106 может подавать выходной сигнал, указывающий на то, что в глаз (-а) необходимо ввести терапевтическое средство. В этом примере осуществления исполнительный механизм 110 может содержать насос и резервуар, например насос на основе микроэлектромеханической системы (МЭМС). Как изложено выше, линза с электропитанием настоящего изобретения может обеспечивать различные функциональные возможности; соответственно, один или более исполнительных механизмов могут быть выполнены по-разному для реализации этих функциональных возможностей.
На Фиг. 2 представлена частично принципиальная и частично структурная схема фотодетекторной системы 200 в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. Фотодетекторная система 200 содержит фотодиодную матрицу 202, включающую в себя множество отдельных фотодиодов, цепь 204 интегрирования и запоминания и аналогово-цифровой преобразователь 206, обеспечивающий выходной сигнал 208 данных. Фотодиодная матрица 202 содержит один или более фотодиодов DG1-DG5, имеющих катодные выводы, выборочно соединенные с катодным узлом 210. В других примерах осуществления фотодиодная матрица 202 может содержать дополнительные фотодиоды, меньшее количество фотодиодов или даже один фотодиод. Выборочное соединение определяется значением сигнала pd_gain усиления, который может быть обеспечен цепью обработки сигналов, например цепью 104 обработки сигналов, показанной на Фиг. 1. Далее приведено подробное описание фотодиодной структуры. В некоторых вариантах осуществления, когда один из указанных одного или более фотодиодов DG1-DG5 не соединен с катодным узлом 210, его катодный вывод может быть соединен с землей цепи для разрядки паразитной емкости, связанной с переходом полупроводникового диода. Один или более фотодиодов DG1-DG5 создают фототок в ответ на падающий свет 212. Кремниевые полупроводниковые фотодиоды обычно создают фототок, значение которого пропорционально энергии падающего света, а также вследствие механизмов утечки создают «темновой ток», который присутствует независимо от падающего света и который может быть пропорционален температуре фотодиода и напряжению на фотодиоде. Следовательно, общий ток, создаваемый фотодиодной матрицей 202, содержит составляющую, определяемую падающим светом 212, и составляющую темнового тока, создаваемую выбранными одним или более фотодиодами DG1-DG5. Кремниевые полупроводниковые фотодиоды дополнительно содержат емкость перехода.
int
int
int
int
Цепь 204 интегрирования и запоминания содержит интегрирующий конденсатор Cint, запоминающий ключ S3 и ключ S4 предварительной зарядки. Запоминающий ключ S3 выборочно соединяет катодный узел 210 с интегрирующим конденсатором C на основании значения запоминающего сигнала holdB. Предпочтительно, запоминающий ключ S3 выполнен с возможностью замыкания, когда запоминающий сигнал holdB выражает логическую единицу или значение высокого напряжения, и размыкания, когда запоминающий сигнал holdB выражает логический ноль или значение низкого напряжения. Ключ S4 предварительной зарядки выборочно соединяет интегрирующий конденсатор C с точкой опорного напряжения vref на основании значения сигнала PRECHRG предварительной зарядки. Предпочтительно, ключ S4 предварительной зарядки выполнен с возможностью замыкания, когда сигнал PRECHRG предварительной зарядки выражает логическую единицу или значение высокого напряжения, и размыкания, когда сигнал PRECHRG предварительной зарядки выражает логический ноль или значение низкого напряжения. Интегрирующий конденсатор C дополнительно соединен с узлом Int_vout интегрируемого выходного напряжения. При работе интегрирующий конденсатор C предварительно заряжается до опорного напряжения vref, а затем интегрирует ток, вытекающий из фотодиодной матрицы 202, для формирования интегрируемого выходного напряжения Int_vout.
int
Аналогово-цифровой преобразователь 206 выполнен с возможностью получения напряжения, сформированного на интегрирующем конденсаторе C и получаемого на узле Int_vout интегрируемого выходного напряжения, и обеспечения величины Dout цифрового выходного сигнала, выражающей интегрируемое выходное напряжение. Аналогово-цифровой преобразователь 206 может быть выполнен с возможностью принимать активирующий сигнал adc_en_rst. В некоторых примерах осуществления аналогово-цифровой преобразователь 206 выполнен с возможностью его сброса, когда сигнал adc_en_rst выражает значение логического ноля, и запуска операции преобразования, когда сигнал adc_en_rst обращается в значение логической единицы.
В этом примере осуществления сигнал pd_gain усиления представляет собой пятибитовый цифровой сигнал, обозначенный как pd_gain<4:0>, который позволяет надлежащим образом масштабировать весь фототок, создаваемый фотодиодной матрицей 202, для согласования яркости падающего света. Дополнительно в этом примере осуществления фотодиоды DG1, DG2, DG3, DG4 и DG5 содержат 1, 7, 56, 448 и 3584 фотодиодных элемента соответственно. При очень высокой яркости падающего света на интегратор может протекать фототок только с одного катода (DG1) фотодиодного элемента, причем все остальные катоды замкнуты на землю. При низкой яркости света могут быть выбраны оба фотодиода DG1 и DG2, обеспечивающие в восемь раз большую чувствительность, чем фотодиод DG1. Аналогично, для еще более низких уровней яркости выбор фотодиодов DG1, DG2 и DG3 обеспечивает в 64 раза большую чувствительность, чем фотодиод DG1, а выбор фотодиодных групп DG1-DG4 обеспечивает в 512 раз большую чувствительность, чем фотодиод DG1. При самых низких применимых уровнях яркости света выбор фотодиодов DG1-DG5 обеспечивает в 4096 раз большую чувствительность, чем один фотодиод, так как при этом выбраны все 4096 фотодиодных элементов матрицы. Это позволяет обеспечивать цифровое управление чувствительностью фотодиодной матрицы 202 посредством сигнала pd_gain усиления в диапазоне свыше 72 дБ.
int
int
int
int
int
int
На Фиг. 3 представлена временная диаграмма последовательности интегрирования и преобразования примера фотодетекторной системы 200, показанной на Фиг. 2. Сначала, в момент времени, обозначенный как 301, запоминающий сигнал holdB устанавливают на значение высокого напряжения, что приводит к замыканию запоминающего ключа S3, в результате чего интегрирующий конденсатор C соединяется с катодным узлом 210 и фотодиодной матрицей 202. Далее, в момент 302 подают сигнал PRECHRG предварительной зарядки, что приводит к замыканию ключа S4 предварительной зарядки и соединению интегрирующего конденсатора C, катодного узла 210 и точки емкости перехода выбранного одного или более фотодиодов DG1-DG5 с точкой опорного напряжения vref. Важно отметить, что, хотя напряжение на интегрирующем конденсаторе C, как проиллюстрировано кривой, обозначенной как Int_vout, показано в виде постоянной величины до момента 302, это напряжение может принимать любое приемлемое значение, обуславливаемое светом, падающим на фотодетекторную систему (Фиг. 2), временем, прошедшим с момента предшествующих действий, и другими подобными функциями, что понятно специалистам в данной области. После момента 303 сигнал PRECHRG предварительной зарядки снимают, что приводит к отсоединению точки опорного напряжения vref, в результате чего может протекать ток фотодиодной матрицы 202 для разрядки интегрирующего конденсатора C. По истечении времени T интегрирования в момент 304 запоминающий сигнал holdB устанавливают на значение низкого напряжения, в результате чего запоминающий ключ S3 размыкается. Далее, в момент 305 активирующий сигнал adc_en_rst обращают в значение логического ноля, а затем в значение логической единицы для запуска операции преобразования. По истечении времени Tadc преобразования величина Dout цифрового выходного сигнала выражает новое значение, представляющее интегрируемое напряжение Vint. В этом примере осуществления интегрируемое напряжение представляется разницей между опорным напряжением vref и напряжением на интегрирующем конденсаторе C, сформированном на узле Int_vout интегрируемого выходного напряжения.
int
int
Каждый из одного или более фотодиодов DG1-DG5 может быть представлен как источник тока. Общий ток, создаваемый фотодиодной матрицей 202, может быть проинтегрирован интегрирующим конденсатором C. Цепь сигналов не требует наличия операционных усилителей, что, в свою очередь, обеспечивает очень низкое рассеяние энергии. В конце времени T интегрирования результирующее напряжение на выходе интегратора имеет вид:
int
где T - период интегрирования, а IPD - общий ток, создаваемый фотодиодной матрицей 202. Как видно из этого выражения, эквивалентное сопротивление Rgain, определяющее коэффициент усиления при преобразовании тока на входе в напряжение на выходе, выражается следующим образом:
int
int
int
int
int
Как видно из выражения 2, величина Rgain прямо пропорциональна величине T и обратно пропорциональна величине C. В целях настоящего описания положим, что это резистор с изменяющимся во времени сопротивлением. Так, например, для увеличения коэффициента усиления можно увеличить интервал T интегрирования и/или уменьшить емкость интегрирующего конденсатора C. Более высокое значение коэффициента усиления, таким образом, может быть достигнуто при конденсаторе меньшего размера, что, следовательно, позволяет использовать кристалл меньшего размера с предпочтительным параметром конструкции. Для изменения коэффициента усиления можно, таким образом, подключать или отключать дополнительную емкость и/или изменять время T интегрирования, например, посредством цифрового управления.
int
int
Следует отметить, что чрезвычайно высокие значения величины Rgain могут быть достигнуты на очень маленькой площади, и, таким образом, цепь настоящего изобретения подходит для интегрирования на полупроводниковом кристалле и для применения в биомедицинском устройстве, таком как контактная линза с электропитанием. Например, при C=1 пФ и T=100 мс Rgain=100 ГОм, что может быть достигнуто на площади всего лишь приблизительно 14 мкм x 14 мкм в рамках обычной технологии комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП) уровня 0,18 мкм.
Напряжение, сформированное на узле Int_vout интегрируемого выходного напряжения (выражение 1), далее оцифровывают с помощью аналогово-цифрового преобразователя 206. Предельное значение выходного сигнала аналогово-цифрового преобразователя соответствует величине Vint=vref и напряжению 0 В на узле Int_vout интегрируемого выходного напряжения и соответствует предельному значению фототока IPD(FS), определяемому как:
τ
t
Периодически изменяющаяся во времени импульсная характеристика, соответствующая операции интегрирования и запоминания, может быть описана с помощью изменяющейся во времени импульсной характеристики ℎ (,), где
N
T
t
N
T
N=
int
int
на интервале (- 1) ⋅ <  ≤ (⋅ ), 1, 2, 3,…
τ
t
int
int
int
int
int
int
Выражение 4 описывает импульсную характеристику ℎ (,) при времени t, где N - целое число, выражающее заданный интервал времени интегрирования. Выражение 4 показывает, что изменяющаяся во времени импульсная характеристика представляет собой импульс, ширина которого линейно увеличивается с увеличением величины t до t=T. Далее, при t=T+ ширина импульса импульсной характеристики уменьшается до нулевой ширины (это сброс), после чего снова начинает увеличиваться до t=2T (это период, причем период равен T). Значок плюса «+» в выражении t=T+ означает, что вычисление начинается сразу после момента t=T.
int
В конце каждого интервала интегрирования получаем t=N ⋅ T (N=1, 2, 3,…), и из выражения 4 импульсная характеристика имеет вид:
Передаточная функция с преобразованием Лапласа импульсной характеристики в конце каждого интервала интегрирования (выражение 5) имеет вид:
Полагая s=j2πf в выражении 6, после упрощения получаем результат преобразования Фурье для операции интегрирования и запоминания, имеющий вид:
Как видно из выражения 7, величина результирующей амплитудно-частотной характеристики обратно пропорциональна частоте f (что обеспечивает наклон 20 дБ/дек) и характеризуется наличием периодических нулей (минимумов).
int
int
int
int
На Фиг. 4 представлен график зависимости величины амплитудно-частотной характеристики от частоты для времени T интегрирования 0,1 с, имеющей периодические нули (минимумы) при частотах, кратных 10 Гц. Следует понимать, что нормализованная амплитудно-частотная характеристика выражения 7 не зависит от величины C. Другими словами, частота перегиба и форма кривой амплитудно-частотной характеристики не зависят от величины C, а зависят только от длины интервала T интегрирования.
Как видно из выражения, фаза амплитудно-частотной характеристики является абсолютно линейной, причем задержка имеет вид:
Периодические минимумы имеют место при частотах fN, которые определяются как:
где N=1, 2, 3…
Частоту дискретизации аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) выбирают следующим образом:
int
Амплитудно-частотная характеристика, показанная на Фиг. 4, с T=0,1 с (fs=10 Гц) имеет наклон 3 дБ при частоте перегиба 4,4 Гц и переходит в первый минимум (бесконечное затухание) при 10 Гц. Операция интегрирования и запоминания, следовательно, действует как очень эффективный фильтр, устраняющий эффект наложения спектров и очень быстро ослабляющий частоты выше частоты Найквиста (fs/2). Для множества вариантов применения внешнего света или инфракрасной связи не требуются дополнительные фильтры, устраняющие эффект наложения спектров, в результате чего минимизируется площадь, требуемая для фотодетекторной системы настоящего изобретения.
int
Периодические минимумы также распространяются на частоты, кратные частотам сети переменного тока (50 Гц или 60 Гц). Это характеризуется дополнительным преимуществом дополнительного подавления мерцания флуоресцентного света выше уже приблизительно значения 30 дБ подавления при 100 Гц или 120 Гц, в результате чего имеет место наклон 20 дБ/дек выше частоты перегиба 4,4 Гц. Другой выбор для величины T=1/Fs - это 83,33… мс, что обеспечивает минимумы в точках, кратных 12 Гц, и наклон -3 дБ при частоте перегиба 5,33 Гц.
int
int
Общий ток, требуемый для функции интегрирования и сброса, определяется как ток, требуемый для предварительной зарядки конденсатора C до напряжения vref каждый период или цикл дискретизации. Средний ток, учитывающий разрядку интегрирующего конденсатора C каждый цикл, определяется как:
int
int
int
В качестве примера, касательно фотодетекторной системы с такими параметрами, как vref=1,8 В, C=145 пФ и T=100 мс, для интегратора средний ток Iavg=2,6 нА (номинальное значение). Это предполагает, что конденсатор C полностью разряжается током фотодиодов каждый период или цикл дискретизации. Следует понимать, что средний ток питания равен среднему общему току, создаваемому фотодиодной матрицей 202.
int
int
int
Для низкого рассеяния энергии, таким образом, требуется, чтобы фотодиодная матрица 202 создавала меньший ток, а интегрирующий конденсатор C обладал меньшей емкостью для полномасштабного преобразования в течение времени T интегрирования. В общем, оптимальная конструкция с наименьшей энергией и минимальными размерами предполагает, что фотодиодная матрица 202 содержит минимальные по размерам переходы фотодиодов и маленький интегрирующий конденсатор C. Специалистам в данной области будет понятно, что минимальные размеры могут быть ограничены шумом дискретизации, инжекцией заряда ключей и прочими факторами, относящимися к несовершенствам цепей и устройств.
На Фиг. 5 представлена частично принципиальная и частично структурная схема фотодетекторной системы 500 с гашением темнового тока в соответствии с другим примером осуществления настоящего изобретения. Фотодетекторная система 500 содержит фотодиодную матрицу 502, содержащую фотодиоды DG1-DG5, соединенные с первым катодным узлом 504, первую цепь 506 интегрирования и запоминания, темновую фотодиодную матрицу 508, соединенную со вторым катодным узлом 510, вторую цепь 512 интегрирования и запоминания, входной выбирающий ключ 514, аналогово-цифровой преобразователь 516, первый регистр 518, второй регистр 520 и вычитатель 522, обеспечивающий выходной сигнал 524 данных. Фотодиодная матрица 502 и цепь 506 интегрирования и запоминания выполнены с возможностью формирования первого интегрируемого напряжения Int_vout аналогично тому, как это делается фотодиодной матрицей 202 и цепью 204 интегрирования и запоминания соответственно фотодетекторной системы 200, описанной выше со ссылкой на Фиг. 2.
Как изложено выше, кремниевые полупроводниковые фотодиоды создают темновой ток вследствие механизмов утечки, который присутствует независимо от падающего света и который может быть пропорционален температуре фотодиодов и напряжению на фотодиодах. Соответственно, фотодиодную матрицу темнового тока можно использовать для компенсации, как подробнее описано далее. Темновая фотодиодная матрица 508 содержит один или более фотодиодов DG1a-DG5a, имеющих катодные выводы, выборочно соединенные с катодным узлом 510. Как и для фотодиодных матриц 202 и 502, выборочное соединение в фотодиодной матрице 508 темнового тока определяется значением сигнала pd_gain, который может обеспечиваться цепью обработки сигналов. В некоторых примерах осуществления, когда один из одного или более фотодиодов DG1a-DG5a не соединен со вторым катодным узлом 510, его катодный вывод может быть соединен с землей цепи для разрядки паразитной емкости, связанной с переходом полупроводникового диода. Один или более фотодиодов DG1a-DG5a накрыты светоизолирующим слоем, таким как металлический слой, так что они не создают фототок в ответ на падающий свет 526. Однако можно использовать любой подходящий светоизолирующий слой или покрытие. Следовательно, общий ток, создаваемый темновой фотодиодной матрицей 508, содержит только составляющую темнового тока или тока утечки, создаваемую выбранными одним или более фотодиодами DG1a-DG5a. Специалистам в данной области будет понятно, что если фотодиоды DG1a-DG5a и DG1-DG5 изготовлены вместе, например на одной кремниевой пластине, и если соответствующие фотодиоды (DG1 и DG1a, DG2 и DG2a и т. д.) имеют одинаковые активные размеры и площадь, то темновые токи, создаваемые фотодиодами DG1a-DG5a, по амплитуде очень близки к темновым токам, создаваемым фотодиодами DG1-DG5 фотодиодной матрицы 502.
inta
inta
inta
inta
inta
Вторая цепь 512 интегрирования и запоминания содержит второй интегрирующий конденсатор C, второй запоминающий ключ S3a и второй ключ S4a предварительной зарядки. Второй запоминающий ключ S3a выборочно соединяет второй катодный узел 510 со вторым интегрирующим конденсатором C на основании значения запоминающего сигнала holdB. Предпочтительно, второй запоминающий ключ S3a выполнен с возможностью замыкания, когда запоминающий сигнал holdB выражает логическую единицу или значение высокого напряжения, и размыкания, когда запоминающий сигнал holdB выражает логический ноль или значение низкого напряжения. Второй ключ S4a предварительной зарядки выборочно соединяет второй интегрирующий конденсатор C с точкой опорного напряжения vref на основании значения сигнала PRECHRG предварительной зарядки. Предпочтительно, второй ключ S4a предварительной зарядки выполнен с возможностью замыкания, когда сигнал PRECHRG предварительной зарядки выражает логическую единицу или значение высокого напряжения, и размыкания, когда сигнал PRECHRG предварительной зарядки выражает логический ноль или значение низкого напряжения. Второй интегрирующий конденсатор C дополнительно соединен с узлом Int_vout интегрируемого выходного напряжения. При работе второй интегрирующий конденсатор C предварительно заряжается до опорного напряжения vref, а затем интегрирует ток, вытекающий из темновой фотодиодной матрицы 506, для формирования второго интегрируемого выходного напряжения Int_vouta.
Входной выбирающий ключ 514 выполнен с возможностью выборочного соединения одного из первого интегрируемого выходного напряжения Int_vout или второго интегрируемого выходного напряжения Int_vouta со входом аналогово-цифрового преобразователя 516. Это выборочное соединение может быть определено на основании сигнала sel управления выбором, обеспечиваемого цепью обработки сигналов или контроллером.
Аналогово-цифровой преобразователь 516 выполнен с возможностью принимать напряжение, выборочно соединенное входным выбирающим ключом 514, и обеспечивать величину цифрового выходного сигнала. В этом примере осуществления аналогово-цифровой преобразователь 516 выборочно сохраняет величину цифрового выходного сигнала, соответствующую интегрируемому выходному напряжению Int_vout, в первом регистре 518 и величину цифрового выходного сигнала, соответствующую интегрируемому выходному напряжению Int_vouta, во втором регистре 520. Выборочное сохранение может быть определено на основании сигнала sel управления выбором. Аналогово-цифровой преобразователь 516 может быть выполнен с возможностью принимать активирующий сигнал adc_en_rst. В некоторых примерах осуществления аналогово-цифровой преобразователь 516 выполнен с возможностью его сброса, когда сигнал adc_en_rst выражает значение логического ноля, и запуска операции преобразования, когда сигнал adc_en_rst обращается в значение логической единицы. Вычитатель 522 создает выходной сигнал 524 данных на основании разности между значениями, хранящимися в первом регистре 518 и втором регистре 520. Таким образом, выходной сигнал 514 данных представляет интегрируемый фототок от фотодиодной матрицы 502 и разность темновых токов фотодиодной матрицы 502 и темновой фотодиодной матрицы 508. Если темновые токи очень близки по амплитуде и если интервалы времени интегрирования одинаковы, то разница темновых токов будет близка к нулю и, таким образом, выходной сигнал 514 данных будет представлять интегрируемый фототок от фотодиодной матрицы 502.
Аналогично описанию касательно фотодетекторной системы 200, при очень низкой яркости света посредством 5-битового сигнала pd_gain<4:0> управления усилением в фотодиодных матрицах 502 и 508 могут быть выбраны все 4096 фотодиодов. Это обеспечивает максимальную площадь перехода для создания фототока и максимальную фоточувствительность, но также создает максимальный темновой ток. Для улучшенного отношения сигнал/шум (SNR) или отношения фототока к темновому току фотодетекторная система 500 измеряет и математически гасит нежелательную составляющую темнового тока до степени, обуславливаемой точностью совпадения фотодиодной матрицы 502 и темновой фотодиодной матрицы 508 и первой цепи 506 интегрирования и запоминания и второй цепи 512 интегрирования и запоминания соответственно.
На Фиг. 6 представлены примеры светоизолирующих и светопропускающих элементов кристалла 600 интегральной цепи. Кристалл 600 интегральной цепи содержит светопропускающую область 602, светоизолирующую область 604, контактные площадки 606, отверстия 608 пассивации и отверстия 610 в светоизолирующем слое. Светопропускающая область 602 расположена над фотодиодной матрицей или матрицами (не показаны), например матрицей фотодиодов, реализованной по технологии производства полупроводниковых устройств. В предпочтительном примере осуществления светопропускающая область 602 пропускает максимально возможное количество света к фотодиодам, таким образом максимально повышая чувствительность. Это может быть реализовано путем удаления поликремниевого, металлического, оксидного, нитридного, полиимидного и других слоев над фотодиодной матрицей или матрицами, если это допустимо по технологии производства полупроводниковых устройств, используемой для изготовления или последующей обработки. Светопропускающая область 602 также может быть подвергнута другой специальной обработке для оптимизации светового обнаружения, например нанесению противоотражающих, фильтрующих и/или светорассеивающих покрытий. Светоизолирующая область 604 может перекрывать на кристалле прочие схемы, которые не требуют воздействия света. Фототоки могут отрицательно влиять на эффективность других схем, например, в результате изменения напряжения смещения и частот тактового генератора в цепях со сверхнизкими токами, которые необходимы, как было указано ранее, для встраивания в контактные линзы. Светоизолирующая область 604 предпочтительно образована из тонкого непрозрачного материала, например алюминия, меди или титана, который уже применяется в производстве и последующей обработке полупроводниковых пластин. При использовании с электропроводным металлом материал, образующий светоизолирующую область 604, должен быть изолирован от расположенных ниже цепей и от контактных площадок 606 для предотвращения коротких замыканий. Такая изоляция может быть предоставлена пассивацией, уже присутствующей на кристалле в качестве части обычной пассивации пластины, например, оксида, нитрида и/или полиимида, или с другими диэлектрическими добавлениями во время последующей обработки. Маскировка предоставляет отверстия 610 в светоизолирующем слое, так что проводящий светоизолирующий металл не перекрывает контактные площадки на кристалле. Светоизолирующая область 604 покрыта дополнительным диэлектриком или пассивацией для защиты кристалла и предотвращения коротких замыканий во время прикрепления кристалла. Данная заключительная пассивация имеет отверстия 608 пассивации для обеспечения подключения к контактным площадкам 606.
На Фиг. 7 представлен пример контактной линзы с электронной вставкой, содержащей систему обнаружения морганий, в соответствии с настоящим изобретением. Контактная линза 700 содержит мягкий пластиковый участок 702, который содержит электронную вставку 704. Эта вставка 704 включает в себя линзу 706, активируемую электронными компонентами, например фокусирующуюся при активации на близкорасположенных или удаленных объектах. Интегральная цепь 708 крепится к вставке 704 и подключается к аккумуляторам 710, линзе 706 и другим компонентам, необходимым для системы. Интегральная цепь 708 включает в себя фотодиодную матрицу 712 и соответствующие цепи тракта фотодетекторного сигнала. Фотодиодная матрица 712 направлена наружу через вставку для линзы и в направлении от глаза и, следовательно, может принимать внешний свет. Фотодиодная матрица 712 может быть реализована на интегральной цепи 708 (как показано), например, в виде одного фотодиода или матрицы фотодиодов. Фотодиодная матрица 712 также может быть реализована в виде отдельного устройства, смонтированного на вставке 704 и подключенного с помощью проводящих дорожек 714. Когда веко закрывается, вставка 704 для линзы, включая фотодетектор 712, перекрывается, таким образом снижая уровень света, падающего на фотодетектор 712. Фотодетектор 712 выполнен с возможностью измерения внешнего света и/или инфракрасного света.
Дополнительные факторы касательно фотодетекторной системы настоящего изобретения позволяют дополнительно уменьшить требуемую площадь, объем и стоимость фотодетекторной системы и офтальмологических линз с электропитанием или электронных офтальмологических линз, в которые может быть встроена эта система.
int
Интегрирующие емкости C могут быть частично сформированы посредством входной емкости аналогово-цифрового преобразователя, такой, которую обеспечивает конденсаторная матрица цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) в аналогово-цифровом преобразователе с последовательной аппроксимацией (SAR ADC). Следует отметить, что это может быть применимо в случае примеров осуществления, описанных со ссылкой на Фиг. 5, если периоды интегрирования для этих двух фотодиодных матриц не синхронны.
В фотодетекторной системе, показанной на Фиг. 5, для преобразования двух величин используют один аналогово-цифровой преобразователь. В альтернативном варианте осуществления можно использовать два аналогово-цифровых преобразователя, однако использование одного обеспечивает подавление любого смещения, присущего самому аналогово-цифровому преобразователю, в то время как система с двумя аналогово-цифровыми преобразователями характеризовалась бы наличием остаточного смещения из-за разницы смещений у этих преобразователей.
Предпочтительно, фотодиодные матрицы реализованы по технологии КМОП для увеличения возможности встраивания и уменьшения общего размера фотодетекторной системы и схем обработки сигналов и системного контроллера. Предпочтительно, фотодетекторная система, схемы обработки сигналов и схемы системного контроллера объединены вместе на одном кремниевом кристалле, в результате чего уменьшается площадь, требуемая для соединительных дорожек на кристалле при формировании контактных или столбиковых площадок в офтальмологической линзе с электропитанием или электронной офтальмологической линзе.
Специалистам в данной области будет понятно, что фотодиодная матрица может содержать меньшее количество фотодиодов, если требуется меньший динамический диапазон. Например, в некоторых вариантах осуществления может быть достаточно фотодиодной матрицы, содержащей один фотодиод. Фотодиоды могут содержать один фотодиодный элемент. Однако наилучшее масштабирование усиления может быть достигнуто путем применения более крупных фотодиодов с некоторым числом взаимно соединенных (например, в параллель) фотодиодных элементов одинаковой конструкции (по размерам, площади, типам диффузии).
Хотя настоящее изобретение было показано и описано в форме вариантов осуществления, считающихся наиболее практичными и предпочтительными, следует понимать, что специалисты в данной области смогут предложить отклонения от конкретных описанных и показанных конфигураций и способов, которые могут применяться без отклонения от сущности и объема изобретения. Настоящее изобретение не ограничивается конкретными конструкциями, описанными и проиллюстрированными в настоящем документе, но все образцы изобретения должны согласовываться со всеми модификациями в пределах объема, определенного прилагаемой формулой изобретения.