ПРИВОД ЛИНЗЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ С ИЗМЕРЯЕМЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
LENS DRIVER FOR ELECTRONIC OPHTHALMIC LENS WITH MEASURED OPTICAL PROPERTIES

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА СМЕЖНЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящая заявка на патент испрашивает преимущество предварительной заявки на патент США № 61/619524, поданной 3 апреля 2012 года.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1.Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к офтальмологической линзе с электропитанием или электронной офтальмологической линзе с изменяемыми оптическими свойствами, более конкретно относится к электронным схемам для обеспечения электропитанием электронной офтальмологической линзы с изменяемыми оптическими свойствами.
2. Обзор информации по теме заявки
Поскольку размеры электронных устройств продолжают уменьшаться, все более вероятным становится создание пригодных для ношения или встраивания микроэлектронных устройств для различных сфер применения. Такие сферы применения могут включать контроль биохимических процессов в организме, введение контролируемых доз лекарственных препаратов или терапевтических агентов с помощью различных механизмов, включая автоматические, в ответ на измерения или внешние сигналы управления, а также усиление работы органов или тканей. Примеры таких устройств включают инфузионные насосы для введения глюкозы, кардиостимуляторы, дефибрилляторы, вспомогательные желудочковые системы и нейростимуляторы. Новую особенно ценную сферу применения создают пригодные для ношения офтальмологические линзы и контактные линзы. Например, пригодная для ношения линза может включать узел линзы, имеющий фокус с возможностью электронного регулирования для дополнения или улучшения функции глаза. В другом примере пригодная для ношения контактная линза, с фокусом с возможностью регулирования или без него, может включать электронные датчики для распознавания концентраций конкретных химических веществ в прекорнеальной (слезной) пленке. Применение встроенных в узел линзы электронных компонентов определяет потенциальную потребность в установлении связи с такими электронными компонентами, способе подачи питания и/или повторной зарядки электронных компонентов, взаимном соединении электронных компонентов, внутреннем и внешнем сборе информации с датчика и/или контроле, а также в управлении электронными компонентами и всей работой линзы.
Человеческий глаз способен различать миллионы цветов, легко адаптироваться к меняющимся условиям освещения и передавать сигналы или информацию в мозг со скоростью, превышающей скорость высокоскоростного Интернет-соединения. Линзы, такие как контактные линзы и интраокулярные линзы, в настоящее время применяют для коррекции таких дефектов зрения, как миопия, гиперметропия и астигматизм. Однако правильно сконструированные линзы, которые содержат дополнительные компоненты, можно использовать как для улучшения зрения, так и для коррекции дефектов зрения.
Традиционные контактные линзы представляют собой полимерные структуры конкретной формы, предназначенные для коррекции различных проблем со зрением, которые были кратко описаны выше. Для обеспечения улучшенной функциональности в такие полимерные структуры встраивают различные электрические схемы и компоненты. Например, схемы управления, микропроцессоры, устройства связи, блоки питания, датчики, исполнительные устройства, светоизлучающие диоды и миниатюрные антенны могут быть встроены в контактные линзы с помощью изготовленных на заказ оптоэлектронных компонентов, предназначенных не только для коррекции зрения, но и для его улучшения и обеспечения дополнительных функциональных возможностей, как описано в настоящем документе. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения зрения за счет способности к увеличению или уменьшению изображения или простого изменения рефракционных свойств линз. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения цветовосприятия и разрешения, отображения текстовой информации, распознания устной речи и ее представления в виде текста в режиме реального времени, отображения визуальных подсказок навигационной системы, обеспечения обработки изображений и доступа в Интернет. Линзы могут быть выполнены таким образом, чтобы в процессе их ношения пользователь мог видеть в условиях низкой освещенности. Правильно сконструированные электронные компоненты и/или расположение электронных компонентов на линзах могут позволить проецировать изображение на сетчатку, например, без оптической линзы с переменным фокусом, что позволяет отображать новое изображение или даже активировать сигналы будильника. С другой стороны или в дополнение к любым из этих или аналогичных функций контактные линзы могут включать компоненты неинвазивного контроля биомаркеров и показателей здоровья пользователя. Например, встроенные в линзу датчики могут позволять пациенту, страдающему диабетом, принимать таблетки в соответствии с уровнем сахара в крови, выполняя анализ компонентов слезной пленки без забора крови. Кроме того, правильно выполненная линза может включать датчики для контроля содержания холестерина, натрия и калия, а также других биологических маркеров. В сочетании с беспроводным блоком передачи данных они могут позволить врачу получать практически немедленный доступ к результатам биохимического анализа крови пациента, при этом пациент может не тратить время на посещение лаборатории и забор крови. Кроме того, встроенные в линзы датчики можно использовать для распознавания падающего на глаз света с целью компенсации освещения окружающей среды или определения шаблонов моргания.
Надлежащая комбинация устройств может обеспечить потенциально неограниченную функциональную возможность, однако существует ряд сложностей, связанных с встраиванием дополнительных компонентов во фрагмент полимера оптического качества. По существу по множеству причин производство таких компонентов непосредственно на линзе, а также монтаж и взаимное соединение плоских устройств на неплоской поверхности затруднительны. Также затруднительно производство компонентов в масштабе. Компоненты, которые размещаются на или в линзе, нужно уменьшить в размере и встроить в прозрачный полимер размером 1,5 квадратных сантиметра с обеспечением защиты этих компонентов от жидкой среды глаза. Также затруднительно изготовление контактной линзы, которая будет комфортна и безопасна для пользователя при ношении с учетом дополнительной толщины дополнительных компонентов.
Учитывая ограничения площади и объема офтальмологического устройства, такого как контактная линза, и среду ее эксплуатации, при физической реализации устройства необходимо решить ряд проблем, включая монтаж и взаимное соединение ряда электронных компонентов на неплоской поверхности, в основном содержащей пластмассу оптического качества. Таким образом, существует необходимость в создании надежной электронной контактной линзы с механическими и электронными компонентами.
Поскольку эти линзы подключены к электропитанию, существует проблема с доставкой энергии или, более конкретно, тока, который приводит в действие электронные компоненты, учитывая, что технология батарей должна применяться в масштабе офтальмологической линзы. В дополнение к обычному потреблению тока устройства или системы с электропитанием такого типа по существу требуют запас тока в холостом режиме, точное управление напряжением и возможности переключения для обеспечения эксплуатации в потенциально широком диапазоне эксплуатационных параметров, а также при пиковом потреблении, например, до 18 (восемнадцати) часов от одной зарядки после потенциального отсутствия активности в течение нескольких лет.
Как правило, коррекция зрения и потенциально улучшение зрения достигаются при использовании очковых линз, контактных линз, интраокулярных линз (ИОЛ) и других офтальмологических устройств с помощью оптических элементов с неизменяемыми свойствами. Например, очковые или контактные линзы для лечения миопии (близорукости) содержат линзы со сферической оптической силой для коррекции фокуса на сетчатке с целью компенсации дефектов роговой оболочки и/или хрусталика глаза. Бифокальные корректирующие линзы могут содержать линзовую вставку с оптической силой, отличной от основной линзы. В более усовершенствованных конфигурациях используют градиент, зону или другие схемы для изменения корректирующей оптической силы на линзе. Однако, поскольку такие линзы имеют неизменяемые оптические свойства, они не соответствуют естественной реакции человеческого глаза, которая представляет собой действие с переменным фокусом, достигаемое путем изменения оптической силы хрусталика глаза. У людей с пресбиопией естественная способность глаза к аккомодации к различным фокусным расстояниям в значительной степени снижена, что приводит к потере функции глаза и становится источником раздражения. Результаты последних исследований в данной области включали очковые линзы и даже ИОЛ с некоторой степенью динамической аккомодации, например, электронные очковые линзы или ИОЛ, соединенные с микрозонами глаза для изменения оптической силы линзы в ограниченном диапазоне. Такие существующие системы ограничены лишь небольшим диапазоном аддидации, возможно, только +1 диоптрией, требуют ношения очковых линз, хирургического вмешательства для имплантации ИОЛ и имеют другие недостатки.
Существует несколько типов технологий для получения линз с электронной регулировкой, включая жидкокристаллические линзы, линзы из электроактивных полимеров, электромеханические линзы, переменные жидкостные линзы и жидкостные менисковые линзы. Такие линзы с электронной регулировкой требуют использования исполнительного устройства и электронного устройства для изменения фокусного расстояния линзы. Например, в жидкостной менисковой линзе или линзе из электроактивного полимера физические параметры линзы модулируются приложенным напряжением и/или током от исполнительного устройства, что приводит к изменению фокусного расстояния линзы. Как линзы с переменными свойствами, так и их исполнительные устройства, известные также как приводы линзы, доступны в продаже для различных сфер применения, таких как камеры для смартфонов, а также для промышленных сфер применения. Подходящих линз и исполнительных устройств для офтальмологических устройств, таких как контактные линзы и ИОЛ, не существует.
Как правило, электронным линзам или линзам с электропитанием требуется более высокое напряжение, чем доступно непосредственно от батареи. Например, для обеспечения максимального изменения фокусного расстояния линзы с электропитанием может потребоваться 60 (шестьдесят) вольт, однако выходное напряжение стандартных батарей составляет менее 4 (четырех) вольт. Стандартные приводы линзы включают схему умножителя напряжения для получения высокого выходного напряжения от источника низкого напряжения. В данной области известно множество конфигураций таких устройств. Умножитель напряжения по существу представляет собой устройство преобразования напряжения и тока, аналогичного по принципу действия электрическому трансформатору с неодинаковым числом витков в первичной и вторичной обмотках. В то время как трансформатор работает на переменном токе, умножитель напряжения работает от источника постоянного тока, такого как батарея. Умножитель напряжения может содержать схему с накачкой заряда. Этот тип схемы хорошо известен в области электроники.
Доступные в настоящее время приводы линзы имеют множество недостатков, которые делают их непригодными для использования в офтальмологических устройствах, таких как контактные линзы и ИОЛ. Потребляемый стандартными приводами линзы ток составляет порядка от приблизительно 1 (одного) до более 100 (ста) миллиампер. Несмотря на то что такое потребление тока является приемлемым для подключенной к электрической сети роботизированной производственной системы или даже для фотоаппарата или смартфона с относительно большой батареей, оно недопустимо большое для источника питания в офтальмологическом устройстве. Такие источники питания, реализованные в виде батарей, устройств сбора энергии и/или конденсаторов, как правило, ограничены током лишь 30 (тридцать) микроампер или менее. Для офтальмологического устройства критическими параметрами являются как потребление тока в активном режиме, то есть ток, потребляемый приводом линзы при активации линзы с электропитанием, так и потребление тока в режиме ожидания, то есть ток, потребляемый, когда привод устройства не управляет линзой с электропитанием.
Стандартные линзы с электронной регулировкой и их приводы линзы разрабатывают для конкретных сфер применения и не оптимизируют для использования в офтальмологическом устройстве. Например, некоторые линзы допускают непрерывное изменение фокусного расстояния в диапазоне от нескольких миллиметров до бесконечности, то есть в диапазоне до 30 (тридцати) диоптрий или более. Коммерческие линзы и приводы должны изменять фокусное расстояние очень быстро, возможно, в пределах менее 100 (ста) миллисекунд. Как известно в данной области, для офтальмологических линз может потребоваться изменение фокусного расстояния лишь за 1 (одну) или 2 (две) секунды - стандартное время, требуемое для изменения фокусного расстояния глаза в естественных условиях. Стандартные системы линзы и системы приводов, предназначенные для коммерческих и промышленных сфер применения, должны работать в течение многих лет при значительных изменениях фокусного расстояния много раз в день. В отличие от них, некоторые офтальмологические устройства, такие как контактные линзы, могут быть предназначены для однократного применения в течение лишь 18 (восемнадцати) часов.
Стандартные приводы линзы реализуют с дискретными электронными компонентами или интегральными схемами (ИС). Даже когда приводы линзы реализуют в виде ИС, они могут требовать внешние компоненты, такие как конденсаторы, а физические размеры кристалла привода линзы могут составлять 2 (два) квадратных миллиметра или более при толщине в несколько сотен микрон, что также представляет собой проблему.
Как правило, для приведения в действие линз с электрическим управлением требуется напряжение от 10 (десяти) до 60 (шестидесяти) вольт. Таким образом, приводы линзы для этих устройств должны генерировать высокое напряжение, достаточное для активации линзы с электропитанием. Приводы линзы можно программировать для изменения выходного напряжения, посредством этого модулируя оптическую силу линзы с электропитанием.
2
Вследствие требований к скорости, надежности и точности модуляции оптической силы линзы в широком диапазоне фокусных расстояний в стандартных приводах линзы для жидкостных менисковых линз используют приводы переменного тока. Такой привод переменного тока быстро переключает полярность приложенного к линзе напряжения с положительного на отрицательное и обратно с частотой 1 кГц (один килогерц). Этот способ создания привода обеспечивает преимущества в существующих коммерческих сферах применения, но также значительно повышает потребляемый ток относительно альтернативного способа реализации привода постоянного тока. Жидкостную менисковую линзу можно смоделировать как конденсатор, поэтому требуемая для зарядки такого конденсатора энергия составляет 1/2×C×V, где C - емкость линзы, а V - приложенное напряжение. Емкость жидкостной линзы составляет приблизительно 200 пФ (двести пикофарад). Очевидно, что стандартный высоковольтный привод линзы должен обеспечивать и потреблять значительную мощность, так как емкость линзы необходимо перезаряжать с высокой скоростью.
Таким образом, существует потребность в приводе линзы для офтальмологической линзы с электропитанием, которая оптимизирована для низкозатратной работы, долгосрочной надежной службы, обеспечения безопасности, небольших размеров и скорости работы и при этом обеспечивает требуемую мощность для управления оптическим элементом с переменным фокусом.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Привод линзы, включая электронную схему для подключения электропитания к электронной офтальмологической линзе настоящего изобретения, содержащей оптический элемент с переменным фокусом, лишен недостатков, характерных для устройств предшествующего уровня техники, кратко описанных выше.
В соответствии с одним примером осуществления настоящее изобретение относится к офтальмологическому прибору. Офтальмологический прибор содержит офтальмологическое устройство, выполненное с возможностью использования по меньшей мере в одном из режимов - на глазу или в глазу, встроенную в офтальмологическое устройство электронную систему, при этом электронная система содержит систему управления, по меньшей мере одно исполнительное устройство линзы и систему питания, включающую один или более источников питания, при этом электронная система выполнена с возможностью обеспечения низкого энергопотребления, а также встроенный в офтальмологическое устройство оптический элемент, при этом оптический элемент имеет электронно регулируемое фокусное расстояние, выбранное с возможностью выполнения по меньшей мере одного из коррекции зрения и улучшения зрения, при этом оптический элемент функционально связан с электронной системой.
Настоящее изобретение относится к контактной линзе с электропитанием, содержащей электронную систему, выполняющую любое количество функций, включая активацию оптического элемента с переменным фокусом. Электронная система включает одну или более батарей или других источников питания, схему управления питанием, один или более датчиков, схему тактового генератора, схему управления, выполняющую применимые управляющие алгоритмы, и схему привода линзы.
Схема приводного устройства линзы или привода линзы генерирует подходящее напряжение смещения для активации оптического элемента с переменным фокусом. Он активируется системным контроллером, системой управления или схемой управления, принимает ток от схемы управления питанием и принимает тактовый сигнал от схемы тактового генератора. Схема исполнительного устройства линзы или привода линзы содержит один или более источников питания, один или более генераторов напряжения смещения и одну или более переключающих схем. Схема привода линзы преобразует напряжение уровня батареи в напряжение смещения, подходящее для активации линзы с переменным фокусом. Она также включает схему для переключения напряжения смещения, подаваемого на линзу с переменным фокусом, например, обеспечивая соединение с проводом заземления, с точкой высокого потенциала, смену полярности напряжения и отключение от источника напряжения.
В одном примере осуществления оптический элемент с переменным фокусом представляет собой электросмачиваемое устройство, требующее высокое напряжение для изменения фокуса. Привод линзы для такого оптического элемента с переменным фокусом преобразует напряжение уровня батареи в высокое напряжение смещения, например, генерируя выходное напряжение 25 В при входном напряжении 2 В. В другом примере осуществления оптический элемент с переменным фокусом представляет собой электромеханическое или электрожидкостное устройство. Привод линзы для такого оптического элемента с переменным фокусом может по существу отличаться от привода, требуемого для электросмачиваемого устройства, например, может требоваться конкретный сигнал привода определенной формы и обратная связь по состоянию линзы или оптического элемента. Однако функция офтальмологического устройства остается такой же, а именно электронное управление фокусным расстоянием в оптическом элементе линзы с переменным фокусом. В еще одном примере осуществления оптический элемент с переменным фокусом может содержать жидкокристаллическое устройство, требующее токового смещения.
Схема привода линзы настоящего изобретения обеспечивает безопасный, низкозатратный, долгосрочный и надежный источник питания с большим сроком службы в корпусе, размер которого позволяет использовать его на или в офтальмологическом устройстве, таком как контактная линза, без значительного воздействия на удобство или пригодность к ношению.
Для снижения потребления тока используют несколько способов в соответствии с настоящим изобретением, которые применимы для привода линзы для офтальмологического устройства. Снижение тока достигается посредством тщательного согласования требований привода линзы с оптическим элементом с переменным фокусом в линзе с электропитанием, при этом требования оптического элемента с переменным фокусом в линзе с электропитанием должны быть согласованы с требованиями офтальмологического устройства. Например, во избежание потерь на переключение в жидкостной менисковой линзе вместо привода переменного тока используют привод постоянного тока. Это возможно по причине того, что в некоторых примерах осуществления отсутствует необходимость в непрерывном изменении фокусного расстояния или требования по существу отличны от требований к существующим приводам линзы. Аддидация линзы может быть просто плоской (0 аддидация) и может быть равна +3 диоптриям. Дополнительно конфигурация конкретной жидкостной менисковой линзы в офтальмологическом устройстве снижает или устраняет необходимость в переключении полярности. В некоторых примерах осуществления выходное напряжение привода линзы не регулируется и не является частью цепи управления. Несмотря на то что для сфер применения с широким диапазоном изменений фокусного расстояния может быть необходима точная регулировка выходного напряжения привода линзы, такая точность не является обязательным требованием для всех офтальмологических сфер применения. Конфигурация линзы может допускать широкий диапазон напряжений привода для получения требуемого изменения фокусного расстояния. Как будет понятно специалисту в данной области, отказ от обратной связи значительно упрощает привод линзы с соответствующим усовершенствованием размера кристалла и потребления тока.
Потребление тока дополнительно снижается посредством тщательной проработки конфигурации привода линзы для офтальмологических сфер применения. Ток в активном режиме снижен до приблизительно 3 (трех) микроампер. Ток в режиме ожидания и хранения снижен до наноампер или пикоампер. Это достигнуто посредством использования известных в данной области способов, а также новых инновационных способов, более подробно описанных в настоящем документе.
Разработка конфигурации привода линзы вместе с линзой для офтальмологических сфер применения предлагает дополнительные усовершенствования привода линзы. Напряжение активации встроенного в линзу с электропитанием оптического элемента с переменным фокусом можно снизить с соответствующим снижением требований к выходному напряжению привода линзы, а также току и размеру привода линзы. Емкость и сопротивление встроенного в линзу с электропитанием оптического элемента с переменным фокусом могут быть оптимизированы, посредством этого снижая требования к выходному току привода линзы. Это также позволяет снизить размеры и потребление тока приводом линзы.
Размер и тип корпуса имеют критическое значение для пригодности использования привода линзы в офтальмологических сферах применения. Поэтому интеграция, топология размещения элементов и соединений между ними учитываются специально для использования в офтальмологии. Все компоненты привода линзы встроены на одной кремниевой интегральной схеме (ИС), что устраняет необходимость в использовании внешних компонентов, таких как дискретные конденсаторы для поверхностного монтажа. Размер кристалла снижен различными способами. Соединения между компонентами добавляют на этапе последующей обработки полупроводниковой пластины и специально разработаны для офтальмологической сферы применения. Толщина кристалла снижается, возможно, до размера от 30 (тридцати) до 100 (ста) микрон.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Описанные выше и другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после изучения представленного ниже более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, проиллюстрированных с помощью сопроводительных чертежей.
На фигуре 1 представлена блок-схема примера системы линз с переменным фокусом в соответствии с настоящим изобретением.
На фигуре 2 схематически представлен пример схемы H-моста, соединенной с контактной линзой с электропитанием, которая имеет оптический элемент с переменным фокусом в соответствии с настоящим изобретением.
На фигуре 3 схематически представлен пример привода линзы с использованием диодной схемы с накачкой заряда в соответствии с настоящим изобретением.
На фигуре 4 графически представлен оптический отклик двух оптических элементов с переменным фокусом на приложенное напряжение в соответствии с настоящим изобретением.
На фигуре 5 схематически представлена топология печатной платы схемы привода линзы на дискретных элементах в соответствии с настоящим изобретением.
На фигуре 6 представлена блок-схема примера интерфейса между приводом линзы и оптическим элементом в соответствии с настоящим изобретением.
На фигуре 7 графически представлены формы входного сигнала для примера схемы с накачкой заряда в соответствии с настоящим изобретением.
На фигуре 8 схематически представлен альтернативный пример привода линзы с накачкой заряда в соответствии с настоящим изобретением.
На фигуре 9 графически представлен результат моделирования зависимости напряжения от времени в узлах на верхних выводах каждого конденсатора для примера схемы с накачкой заряда, изображенной на фигуре 8.
На фигуре 10 схематически представлен пример электронной вставки, включающей привод линзы, для контактной линзы с электропитанием в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Традиционные контактные линзы представляют собой полимерные структуры конкретной формы, предназначенные для коррекции различных проблем со зрением, которые были кратко описаны выше. Для обеспечения улучшенной функциональности в такие полимерные структуры встраивают различные электрические схемы и компоненты. Например, схемы управления, микропроцессоры, устройства связи, блоки питания, датчики, исполнительные устройства, светоизлучающие диоды и миниатюрные антенны могут быть встроены в контактные линзы с помощью изготовленных на заказ оптоэлектронных компонентов, предназначенных не только для коррекции зрения, но и для его улучшения и обеспечения дополнительных функциональных возможностей, как описано в настоящем документе. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения зрения за счет способности к увеличению или уменьшению изображения или простого изменения рефракционных свойств линз. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения цветовосприятия и разрешения, отображения текстовой информации, распознания устной речи и ее представления в виде текста в режиме реального времени, отображения визуальных подсказок навигационной системы, обеспечения обработки изображений и доступа в Интернет. Линзы могут быть выполнены таким образом, чтобы в процессе их ношения пользователь мог видеть в условиях низкой освещенности. Правильно сконструированные электронные компоненты и/или расположение электронных компонентов на линзах могут позволить проецировать изображение на сетчатку, например, без оптической линзы с переменным фокусом, что позволяет отображать новое изображение или даже активировать сигналы будильника. С другой стороны или в дополнение к любым из этих или аналогичных функций контактные линзы могут включать компоненты неинвазивного контроля биомаркеров и показателей здоровья пользователя. Например, встроенные в линзу датчики могут позволять пациенту, страдающему диабетом, принимать таблетки в соответствии с уровнем сахара в крови, выполняя анализ компонентов слезной пленки без забора крови. Кроме того, правильно выполненная линза может включать датчики для контроля содержания холестерина, натрия и калия, а также других биологических маркеров. В сочетании с беспроводным блоком передачи данных они могут позволить врачу получать практически немедленный доступ к результатам биохимического анализа крови пациента, при этом пациент может не тратить время на посещение лаборатории и забор крови. Кроме того, встроенные в линзы датчики можно использовать для распознавания падающего на глаз света с целью компенсации освещения окружающей среды или определения шаблонов моргания.
Контактная линза с электропитанием или электронная контактная линза, составляющая предмет настоящего изобретения, содержит элементы, которые необходимы для коррекции и/или улучшения зрения пациентов с одним или более из описанных выше дефектов зрения или выполнения полезных офтальмологических функций иным способом. Кроме того, они могут использоваться только для усиления нормального зрения или обеспечения широкого спектра вышеописанных функциональных возможностей. Электронная контактная линза может содержать оптическую линзу с переменным фокусом, оптическое устройство в сборе, устанавливаемое на переднюю поверхность глаза и встроенное в контактную линзу, или электронные компоненты, встроенные напрямую без линзы для обеспечения любых применимых функциональных характеристик. Электронная линза, составляющая предмет настоящего изобретения, может быть встроена в любое количество контактных линз, как описано выше. Кроме того, интраокулярные линзы также могут содержать различные компоненты и функции, описанные в настоящем документе. Однако для простоты объяснения описание будет посвящено электронной контактной линзе для коррекции дефектов зрения, которая предназначена для одноразового повседневного использования.
Настоящее изобретение относится к офтальмологическому устройству с электропитанием или контактной линзе с электропитанием, содержащей электронную систему, которая активирует оптический элемент с переменным фокусом или любое другое устройство или устройства, выполненные с возможностью реализации любого количества множества возможных функций. Электронная система включает одну или более батарей или других источников питания, схему управления питанием, один или более датчиков, схему тактового генератора, схему управления, выполняющую применимые управляющие алгоритмы, и схему привода линзы. Сложность этих компонентов может быть различной в зависимости от требуемой или желаемой функциональной возможности линзы с электропитанием или электронной линзы.
Важно отметить, что схема управления, системный контроллер или система управления может принимать любое количество входных сигналов для управления офтальмологической линзой с электропитанием или электронной офтальмологической линзой, например, контактной линзой, содержащей оптический элемент с изменяемой оптической силой или оптический элемент с переменным фокусом для увеличения удаленных объектов и уменьшения близкорасположенных объектов.
Система управления содержит одно или более устройств, выполненных с возможностью контроля, управления, направления и/или регулирования действий других устройств и/или систем. Несмотря на то что есть множество различных типов систем управления, их по существу можно разделить на два класса или типа, а именно логические или последовательностные системы управления и системы управления с обратной связью или линейные системы управления. В логической или последовательностной системе управления генерируются сигналы управления, которые являются выходными сигналами и в предварительно заданной последовательности инициируют ряд исполнительных элементов для решения одной или более задач. В системе управления с обратной связью петля управления, включающая один или более датчиков, алгоритмы управления и исполнительные устройства, выполнена с возможностью регулировать значение переменной в заданной точке или опорное значение. В любой системе управления с обратной связью необходимо знать следующее предполагаемое действие системы, чтобы понять, насколько хорошо работает система, и использовать информацию о характеристиках системы для корректировки и управления системой.
Компоненты основной системы управления с обратной связью можно описать следующим образом. Система управления содержит управляемую систему или объект и выполнена с возможностью принимать входной сигнал и генерировать выходной сигнал. Выходной сигнал объекта поступает на датчик, который измеряет один или более параметров объекта и обеспечивает сигнал обратной связи. Затем сигнал обратной связи посредством компаратора или иного подходящего устройства вычитается из входного сигнала с получением сигнала ошибки. Затем сигнал ошибки используется как входной сигнал для контроллера, который генерирует выходной сигнал, поступающий на объект, таким образом заставляя объект выполнить желаемое действие. По существу сигнал обратной связи с датчика пытается учесть все сложности системы в целом и генерирует выходной сигнал, который является желаемым результатом для заданного входного сигнала. Все системы управления разрабатывают в рамках конкретных законов управления, и они, как правило, представляют собой компромисс по различным аспектам, включая скорость и точность работы. Несмотря на то что это описание значительно упрощено и изложено в терминах применительно к аппаратному обеспечению, оно является основой для систем управления с обратной связью, которые можно реализовать аппаратным, программным образом или любой их комбинацией.
Системы управления с обратной связью можно дополнительно классифицировать на пропорциональные контроллеры, интегральные контроллеры, контроллеры с импульсом по производной или их комбинации. В пропорциональном контроллере управляющее действие пропорционально ошибке. В интегральном контроллере инициирующий сигнал или входной сигнал объекта пропорционален интегралу ошибки. В контроллере с импульсом по производной выходной сигнал процесса пропорционален скорости изменения входного сигнала. Каждый тип контроллера имеет свои преимущества, как хорошо известно в области систем управления. Например, при использовании интегрального контроллера можно достигнуть статической ошибки.
Последовательностный контроллер, как описано выше, представляет собой контроллер, в котором требуется выполнение ряда действий в конкретном порядке. Эти действия могут быть достаточно сложными, поскольку должны быть известны все условия всего процесса. Последовательностные контроллеры по существу содержат логические системы для выдачи последовательности команд для управления электрическими и/или механическими действиями. Программируемые логические контроллеры и микроконтроллеры можно запрограммировать для реализации последовательного управления.
В настоящем техническом описании используется термин «офтальмологическое устройство». В общем смысле офтальмологическое устройство может включать контактные линзы, интраокулярные линзы, линзы очков и пробки для слезного канальца. Однако в соответствии с настоящим изобретением офтальмологическое устройство является устройством для коррекции и/или улучшения зрения и предпочтительно включает по меньшей мере одну из очковых линз, контактных линз и интраокулярных линз. Интраокулярная линза (ИОЛ) представляет собой имплантированную в глаз линзу, заменяющую хрусталик. Она может применяться у людей с катарактой или просто для коррекции различных недостатков рефракции. Как правило, ИОЛ представляет собой небольшую пластиковую линзу с боковыми пластиковыми распорками, которые называют гаптическими элементами, которые удерживают линзу в определенном положении в капсулярном мешке глаза. Любые электронные элементы и/или компоненты, описанные в настоящем документе, могут быть встроены в ИОЛ таким же способом, как и в контактные линзы. Пробка для слезного канальца, или окклюдер, - офтальмологическое устройство для введения в слезный каналец глаза для коррекции одного или более патологических состояний, например, синдрома сухого глаза. Несмотря на то что настоящее изобретение можно использовать в любом из таких устройств, в предпочтительных примерах осуществления настоящее изобретение используется в контактных линзах или интраокулярных линзах.
Настоящее изобретение относится к офтальмологической линзе с электропитанием или контактной линзе с электропитанием, содержащей электронную систему, которая активирует оптические элементы с переменным фокусом или любое другое устройство или устройства, выполненные с возможностью реализации любого количества возможных функций. Электронная система включает одну или более батарей или других источников питания, схему управления питанием, один или более датчиков, схему тактового генератора, схему управления, выполняющую применимые управляющие алгоритмы, и схему привода линзы. Сложность этих компонентов может быть различной в зависимости от требуемой или желаемой функциональности линзы.
Схема привода линзы генерирует подходящее напряжение смещения для активации линзы с переменным фокусом. Он активируется системным контроллером, системой управления или схемой управления, принимает ток от схемы управления питанием и принимает тактовый сигнал от схемы тактового генератора. Схема привода линзы содержит один или более источников питания, один или более генераторов напряжения смещения и одну или более переключающих схем. Схема привода линзы преобразует напряжение уровня батареи в напряжение смещения, подходящее для активации линзы с переменным фокусом. Она также включает схему для переключения подаваемого на линзу напряжения смещения, например, обеспечивая соединение с проводом заземления, с точкой высокого потенциала, смену полярности напряжения и отключение от источника напряжения.
Как указано выше, настоящее изобретение относится к офтальмологическому устройству, такому как контактная линза, содержащая множество компонентов, при этом привод линзы является одним из таких компонентов. Надлежащая комбинация устройств может обеспечить потенциально неограниченную функциональную возможность, однако существует ряд сложностей, связанных с встраиванием дополнительных компонентов в фрагмент полимера оптического качества, который образует контактную линзу. По существу по множеству причин производство таких компонентов непосредственно на линзе, а также монтаж и взаимное соединение плоских устройств на неплоской поверхности затруднительны. Также представляет трудности производство компонентов в масштабе и форме. Компоненты, которые помещают на или в линзу, должны быть уменьшены в размере и встроены в прозрачный полимер размером 1,5 квадратного сантиметра или, в частности, 17 (семнадцать) квадратных миллиметров, который защищает эти компоненты от жидкой среды глаза. Также затруднительно изготовление контактной линзы, которая будет комфортна и безопасна для пользователя при ношении с учетом дополнительной толщины дополнительных компонентов.
Помимо указанных выше требований к размерам компонентов, встраиваемые в контактную линзу электронные устройства должны быть надежны и безопасны при использовании в по существу водной среде. Слезная жидкость имеет pH приблизительно 7,4 и содержит приблизительно 98,2 процента воды и 1,8 процента твердых веществ, включая электролиты, такие как натрий, калий, кальций, магний и хлориды. Это довольно жесткая среда для встраивания электронных компонентов. Кроме того, контактные линзы по существу выполнены с возможностью ношения в течение по меньшей мере четырех часов, более предпочтительно более восьми часов. Электронным компонентам необходима энергия. Эта энергия может поступать из ряда источников, включая встроенные батареи. Поскольку при таких размерах батареи и другие потенциальные источники энергии имеют ограниченный потенциал, все электронные компоненты, включая привод линзы, предпочтительно должны быть выполнены с возможностью потребления минимально возможной энергии, чтобы контактные линзы можно было носить в течение заданного периода времени даже после заданного периода отсутствия активности (срока хранения). Наконец, все компоненты электронной контактной линзы должны быть биосовместимыми и безопасными. Соответственно, все встраиваемые в контактную линзу электронные компоненты должны учитывать все перечисленные выше конструктивные параметры, а именно требования к размеру, возможность сохранения работоспособности в водной среде, энергопотребление и безопасность. Привод линзы настоящего изобретения удовлетворяет всем этим требованиям.
Прежде чем перейти к подробному описанию настоящего изобретения, следует отметить, что существует много альтернативных примеров осуществления оптических элементов с переменным фокусом. Например, оптический элемент с переменным фокусом может быть реализован с использованием технологии жидких кристаллов, технологии электроактивных полимеров, технологии варьируемых жидкостных линз и технологии жидкостных менисковых линз. В приведенном ниже подробном описании оптический элемент с переменным фокусом содержит жидкостную менисковую линзу. Используемые в настоящем документе термины «жидкостный мениск» и «электросмачивание» считаются взаимозаменяемыми. Для лучшего понимания описания примеров осуществления настоящего изобретения ниже приведен общий обзор жидкостных менисковых линз. Стандартная жидкостная линза содержит ячейку, которая включает две несмешиваемые жидкости. Одна жидкость представляет собой неполярный изолятор, а вторая, как правило, представляет собой электропроводный водный раствор, такой как физиологический раствор. Обе жидкости прозрачны и имеют разные коэффициенты преломления. Обе жидкости предпочтительно имеют одинаковую плотность, такую, чтобы сила тяжести влияла на работу линзы минимально. Изолирующая жидкость выполнена в форме капли и находится в контакте с тонким изолирующим окном из гидрофобного материала, так что изолирующая жидкость плотно прилегает к нему. На внешней стороне этого окна расположен прозрачный электрод. Приложение напряжения между электродом и проводящей жидкостью улучшает смачиваемость поверхности этой жидкостью, посредством этого деформируя поверхность контакта и изменяя форму капли изолирующей жидкости, посредством этого изменяя фокусное расстояние линзы. Это описание является общим и не призвано служить описанием конкретного оптического элемента настоящего изобретения.
В одном примере осуществления оптический элемент с переменным фокусом представляет собой электросмачиваемое устройство, требующее высокое напряжение для изменения фокуса. Привод линзы для такого оптического элемента с переменным фокусом преобразует напряжение уровня батареи в высокое напряжение смещения, например, генерируя выходное напряжение 25 В при входном напряжении 2 В. В другом примере осуществления оптический элемент с переменным фокусом представляет собой электромеханическое или электрожидкостное устройство. Привод линзы для такого оптического элемента с переменным фокусом может по существу отличаться от привода, требуемого для электросмачиваемого устройства, например, может требоваться конкретный сигнал привода определенной формы и обратная связь по состоянию линзы. Однако функция офтальмологического устройства остается такой же, а именно электронное управление фокусным расстоянием линзы. В еще одном примере осуществления оптический элемент с переменным фокусом может содержать жидкокристаллическое устройство, требующее токового смещения.
Электросмачиваемая линза обладает некоторой величиной емкости, обусловленной физической конструкцией линзы. Проводящая солевая фаза соединена с одним электрическим контактом линзы. Диэлектрик отделяет эту проводящую солевую фазу от электрода, который соединен со вторым электрическим выводом линзы. Таким образом, из-за наличия диэлектрика между двумя контактами возникает емкость. Для активации электросмачиваемой линзы емкость должна быть заряжена до уровня, при котором напряжение на выводе превышает порог активации изменения фокуса. В силу этого емкость электросмачиваемой линзы имеет критическое значение для конфигурации привода линзы. Как известно специалистам в данной области, параметры конфигурации привода линзы можно оптимизировать для учета нагрузки линзы и требований к ожидаемым параметрам работы. Например, при использовании привода линзы с накачкой заряда, создающего требуемое для активации электросмачиваемой линзы высокое напряжение, увеличение одного или более из тактовой частоты и емкости конденсатора позволяет увеличить выходной ток схемы с накачкой заряда. Как также известно в данной области, увеличение выходного тока позволяет быстрее заряжать конденсатор. В силу этого тактовая частота и емкость конденсаторов привода линзы могут быть оптимизированы для достижения электрической эффективности и времени активации линзы с переменным фокусом. Аналогичные взаимосвязи существуют и в других линзах с электронным регулированием и соответствующих приводах линз.
На фигуре 1 представлен пример осуществления системы электронной офтальмологической линзы с переменным фокусом, содержащей источник питания 100, схему управления питанием 102, системный контроллер 104, контроллер H-моста 106, умножитель напряжения 108, H-мост 110 и оптический элемент с переменным фокусом 112. Оптический элемент с переменным фокусом 112 может представлять собой жидкостную линзу, которая изменяет фокальные свойства, например, фокусное расстояние, в ответ на напряжение активации, приложенное к двум электрическим выводам линзы. Как указано выше, можно применять любую соответствующую технологию. Два вывода могут соответствовать выводам на передней и задней поверхностях оптического элемента 112. Напряжение активации может значительно превышать напряжения, поступающие от источника питания, например, для полной активации линзы может требоваться 25 (двадцать пять) вольт, при этом батарея обеспечивает 2 (два) вольта. Источник питания 100 может представлять собой батарею, конденсатор или аналогичное устройство, обеспечивающее сохраненный заряд при приемлемом рабочем напряжении. В некоторых примерах осуществления источник питания 100 может представлять собой элемент индуктивной связи с внешним источником питания. Схема управления питанием 102 может содержать один или более регуляторов напряжения, источников образцового напряжения или тока и ключей для избирательной активации подачи питания на другие компоненты системы электронной линзы. Системный контроллер 104 содержит цифровую систему управления, реализованную либо в виде программы работы микроконтроллера, либо в виде цифровой логической схемы, такой как машина состояний, и может дополнительно содержать генератор для генерирования периодического тактового сигнала для системы управления. Системный контроллер 104 генерирует сигналы управления на умножитель напряжения 108 и контроллер H-моста 106 на основе внутреннего алгоритма или в ответ на внешнее управляющее воздействие со стороны пользователя (интерфейс не показан). Умножитель напряжения 108 принимает электрический ток при низком рабочем напряжении от источника питания 100 и генерирует высокое выходное напряжение, равное или превышающее активирующее напряжение для оптического элемента с переменным фокусом 112, то есть достаточное для изменения состояния оптического элемента с переменным фокусом 112. Умножитель напряжения 108 может дополнительно содержать генератор или принимать тактовый сигнал от системного контроллера 104. В настоящем примере осуществления выходной сигнал умножителя напряжения 108 подается на оптический элемент с переменным фокусом 112 через переключающую схему H-моста 110, хорошо известную в данной области. H-мост 110 содержит ключи между выходом умножителя напряжения 108 и каждым из выводов оптического элемента с переменным фокусом 112, а также между каждым из выводов оптического элемента с переменным фокусом 112 и проводом заземления системы. Состояние H-моста 110 определяется одним или более управляющими сигналами системного контроллера 104, поступающими на контроллер H-моста 106. Контроллер H-моста 106 является интерфейсом между H-мостом 110 и системным контроллером 104. По существу контроллер H-моста 106 обеспечивает смещение уровня управляющих сигналов от низковольтного цифрового контроллера, например, системного контроллера 104, который работает при стандартном напряжении 1,8 вольта, до уровня высоковольтного H-моста 110. Контроллер H-моста 106 может также включать схему синхронизации и задержки, схему управления выходными сигналами для H-моста 110 с использованием меньшего числа входных сигналов от системного контроллера 104, а также схему защиты от нежелательных состояний H-моста 110, таких как сквозное состояние - известное специалистам состояние типа короткого замыкания. H-мост 110 может быть переведен в одно или более состояний, таких как состояние с разомкнутыми выводами линзы, замкнутыми на провод заземления, состояние с подключением одного вывода к выходу умножителя напряжения 108 и другого вывода к проводу заземления или состояние с подключенным электропитанием противоположной полярности. H-мост 110 обеспечивает удобный способ подачи энергии на оптический элемент с переменным фокусом 112 для его активации, разряда оптического элемента с переменным фокусом 112 для возврата к исходной оптической силе и переключения полярности напряжения смещения, прилагаемого к оптическому элементу с переменным фокусом 112. Подключение обоих выводов оптического элемента с переменным фокусом к проводу заземления системы позволяет быстро снять заряд с оптического элемента 112, посредством этого позволяя оптическому элементу с переменным фокусом 112 быстро вернуться в состояние фокусировки без электропитания вместо продолжительного ожидания медленного стекания заряда через систему с хорошей изоляцией. Системный контроллер 104 может периодически изменять полярность выходного сигнала переключающей схемы H-моста 110 для оптимизации характеристик оптического элемента с переменным фокусом 112, например, во избежание накопления избыточного заряда, которое может происходить при слишком долгом нахождении оптического элемента в одном состоянии подачи электропитания. Важно отметить, что функциональный блок показан и описан только в качестве иллюстрации и что возможно добавление, удаление или замена функциональных блоков при общем следовании основным принципам создания привода линзы, разработанной и выполненной с возможностью использования в электронном офтальмологическом устройстве или офтальмологическом устройстве с электропитанием, как описано в настоящем документе.
На фигуре 2 представлен пример схемы H-моста 200, связанной с офтальмологической линзой с электропитанием, которая имеет оптический элемент с переменным фокусом 250. Схема H-моста 200 в особенности полезна при управлении потенциалом напряжения, приложенным к оптическому элементу с переменным фокусом 250, и может использоваться для переключения напряжения на оптический элемент с переменным фокусом 250, изменения на обратную полярность напряжения, приложенного к оптическому элементу с переменным фокусом 250, и заземления оптического элемента с переменным фокусом 250. Пример H-моста 200 содержит ключи полевого транзистора структуры металл-оксид-полупроводник (полевой МОП-транзистор) 202, 204, 206 и 208, которыми управляет схема нормирования сигнала 210 и микроконтроллер 212. В представленном на фигуре 2 примере осуществления микроконтроллер 212 соответствует системному контроллеру 104, а схема нормирования сигнала 210 соответствует контроллеру H-моста 106, как изображено на фигуре 1. Микроконтроллер 212 можно заменить на машину состояний или иное устройство, способное управлять схемой привода линзы. Схема нормирования сигнала 210 является интерфейсом между микроконтроллером 212 и H-мостом, например, преобразуя уровень сигнала от уровня, соответствующего логической схеме с питанием от источника напряжением 1,8 В, до уровня сигнала управления затвором, требуемого для получения выходного сигнала 25 В. Важно отметить, что уровень сигнала низковольтной логической схемы может составлять лишь приблизительно 0,9 вольта, а требуемый для управления затвором высокоуровневый сигнал может варьировать в диапазоне от 13 до 60 вольт. Специалистам в данной области будет понятно, что существуют уникальные требования к напряжениям, прилагаемым к затворам ключей полевых МОП-транзисторов 202, 204, 206 и 208, образующих H-мост. Иными словами, низковольтные выходные напряжения стандартного системного контроллера недостаточны для закрытия ключей верхнего уровня 202 и 204. Схема нормирования сигнала 210 также необходима для оптимизации потребления тока. Она гарантирует, что два расположенных с одной стороны моста ключа (202 и 208 или 204 и 206) не закрыты одновременно. Оптический элемент с переменным фокусом 250 подключается к выходам H-моста. Входы H-моста подключаются к генератору высокого напряжения 214 и проводу заземления. Генератор высокого напряжения 214 может представлять собой умножитель напряжения, схему с накачкой заряда или другую схему. В зависимости от требований H-моста 110 и используемой для ее реализации технологии управления H-мостом 110, могут потребоваться дополнительные схемы (на фигуре не показаны). Например, в зависимости от уровня выходного напряжения генератора высокого напряжения и напряжений смещения в системе могут потребоваться дополнительные ключи.
В стандартном рабочем режиме одна сторона оптического элемента с переменным фокусом 250 соединена с проводом заземления, а другая сторона соединена с генератором высокого напряжения 214. Для этого ключи 202, 204, 206 и 208, формирующие H-мост, активируются в правильной комбинации вкл./выкл. Например, если ключи 202 и 206 замкнуты, а ключи 204 и 208 разомкнуты, левая сторона оптического элемента с переменным фокусом 250 соединена с генератором высокого напряжения 214, а правая сторона оптического элемента с переменным фокусом 250 соединена с проводом заземления. Это представляет одно из возможных состояний, в котором оптический элемент с переменным фокусом 250 заряжен и поэтому активирован. Для деактивации оптического элемента с переменным фокусом 250 ключи 202 и 204 размыкаются, а ключи 208 и 206 замыкаются. Это позволяет снять любую разность потенциалов между контактами оптического элемента с переменным фокусом 250, что приводит к его деактивации. Другое потенциально полезное состояние может быть достигнуто путем приложения потенциала между контактами оптического элемента с переменным фокусом 250, накоплением заряда на оптическом элементе с переменным фокусом 250, а затем отключением оптического элемента с переменным фокусом 250, который остается в активированном состоянии только благодаря накопленному заряду. Такое состояние может быть реализовано посредством размыкания всех ключей 202, 204, 206 и 208, образующих H-мост. Такое состояние может позволить добиться дополнительного снижения потребления тока, если деактивировать генератор высокого напряжения 214 на время нахождения оптического элемента с переменным фокусом 250 в полностью отключенном состоянии. Тщательная разработка емкости и сопротивления оптического элемента с переменным фокусом 250 и сведение к минимуму утечек в электронной системе может позволить оптическому элементу с переменным фокусом 250 хранить заряд в течение многих секунд, посредством этого значительно снижая скважность работы генератора высокого напряжения 214 и, следовательно, среднее потребление тока.
На фигуре 3 схематически представлен пример привод линзы 300 с использованием диодной схемы с накачкой заряда. Эта конкретная конфигурация известна специалистам в соответствующей области как схема с накачкой заряда Диксона. Диодная схема с накачкой заряда или схема с накачкой заряда 300 питается и управляется через входы 302, 304 и 306. К входу 306 подключен источник постоянного напряжения, который непрерывно включен, когда схема с накачкой заряда 300 находится в активном состоянии. При выключении источника постоянного напряжения схема с накачкой заряда 300 находится в неактивном состоянии для экономии потребления тока. На входы 304 и 302 предпочтительно подаются прямоугольные сигналы комплементарной полярности, пульсирующие в процессе работы. Эти сигналы представлены на фигуре 7. Входы 302, 304 и 306 могут быть приведены в действие микроконтроллером, аппаратной логической схемой или аналогичным синхронизирующим устройством и, как правило, имеют то же рабочее напряжение, что и схема управления, например, 3,5 В. Конденсаторы 308, 314 и 318 образуют одну сторону схемы с накачкой заряда 300 и соединены с входом 304. Конденсаторы 310 и 316 образуют другую сторону схемы с накачкой заряда 300 и управляются входом 302. Диоды 324, 326, 328, 330, 332 и 334 позволяют току протекать только в одном направлении, в данном случае слева направо. Один этап схемы с накачкой заряда 300 содержит диод и следующий за ним конденсатор, например, 326 и 310. Когда к входу 306 подается напряжение, ток протекает через диод 324 и накапливается в конденсаторе 308. Первоначально на вход 304 подается сигнал низкого уровня, поэтому напряжение на конденсаторе 308 поднимается до напряжения на входе 306 минус прямое падение напряжения на диоде 324. Когда на вход 304 подается сигнал более высокого уровня, напряжение на верхней обкладке конденсатора 308 повышается. Ток не может стечь обратно с конденсатора 308 через диод 324, поскольку диод блокирует обратный ток. Заряд с конденсатора 308 переходит через диод 326 и начинает накапливаться в конденсаторе 310. В этом цикле нижняя обкладка конденсатора 310 находится на низком уровне, поскольку на вход 302 подается сигнал низкого уровня. При переключении входов 304 и 302 высокое напряжение на входе 302 приводит к повышению потенциала на верхней обкладке конденсатора 310. Это повторяется на всех последующих этапах, и на каждом этапе напряжение повышается приблизительно на напряжение питания минус прямое падение напряжения на диоде. Следует понимать, что сведение к минимуму падения напряжения на диодах повышает эффективность преобразования схемы с накачкой заряда, поэтому, как правило, используют диоды с более низким прямым падением напряжения, такие как диоды Шоттки. Таким образом, на выходе схемы с накачкой заряда 300 на конденсатор 320 и нагрузочный резистор 322 напряжение приблизительно равно напряжению питания (на входах 302, 304 и 306), умноженному на число этапов минус прямое падение напряжения на диодах. В этом варианте осуществления при напряжении источника питания 3,5 В выходное напряжение составляет приблизительно 21 В. Выходной конденсатор 320 накапливает заряд, поступающий с последнего этапа (конденсатор 318 и диод 334). Нагрузочный резистор 322 обеспечивает медленное стекание заряда с конденсатора 320 и нагрузки, в случае если требуется получить известное время разряда. Нагрузка в виде линзы подключается параллельно конденсатору 320 и нагрузочному резистору 322. Таким образом, на линзу поступает значительно большее напряжение, приблизительно 21 В, чем то, которое можно получить при непосредственном управлении с помощью микроконтроллера, приблизительно 3,5 В. Важно отметить, что это напряжение может колебаться в диапазоне от 18 В до 20 В.
На фигуре 4 графически представлен отклик двух оптических элементов с переменным фокусом двух офтальмологических линз с электропитанием на напряжение, приложенное между их контактами. В одном примере конфигурации первый оптический элемент с переменным фокусом представляет собой доступное в продаже устройство, содержащее солевой раствор и масло в элементе по существу цилиндрической формы. Как представлено на стандартной кривой отклика 402 для этой линзы первого типа, оптическая сила оптического элемента с переменным фокусом начинает увеличиваться, когда приложенное напряжение превышает пороговое напряжение активации в контрольной точке 404, в данном примере приблизительно при 16 В. Следует понимать, что напряжение значительно превышает напряжение, которое можно получить от большинства типов химических батарей с одним элементом. Отклик первого оптического элемента с переменным фокусом имеет линейную форму вплоть до напряжения 46 В в конечной контрольной точке 406. При низких напряжениях вплоть до порогового напряжения в контрольной точке 404 первый оптический элемент с переменным фокусом находится в неактивированном состоянии и имеет фоновую величину оптической силы. Выше порогового напряжения оптическая сила первого оптического элемента с переменным фокусом повышается. Пороговое напряжение и зависимость оптической силы от приложенного напряжения может меняться в зависимости от конфигурации оптического элемента с переменным фокусом. Вторая конфигурация линзы, оптимизированная для коррекции пресбиопии, проиллюстрирована функцией 408. В соответствии с этим примером конфигурации, второй оптический элемент с переменным фокусом представляет собой изготовленный на заказ масляно-солевой оптический элемент по существу сферической формы. По существу этот второй оптический элемент с переменным фокусом отличается от описанного выше первого элемента химическим составом солевого раствора и масла, диэлектрическим материалом и механической конфигурацией, что приводит к другому отклику, как описано в настоящем документе. Этот второй оптический элемент с переменным фокусом имеет второе пороговое напряжение в контрольной точке 410, сниженное до значения приблизительно 12 В, например, посредством оптимизации жидкости в оптическом элементе с переменным фокусом, механической конструкции и толщины диэлектрика. Дополнительная оптимизация как оптического элемента с переменным фокусом, так и привода линзы могут быть, возможно, связаны с уникальными условиями хранения и работы офтальмологического устройства в сравнении с характеристиками доступных в продаже электронных оптических элементов с переменным фокусом, которые должны работать в течение многих лет со значительными изменениями фокусного расстояния. Второй оптический элемент с переменным фокусом насыщается при приблизительно +3 диоптриях при приложенном напряжении приблизительно 17 В в контрольной точке 412. При напряжении выше указанного напряжения насыщения оптическая сила оптического элемента с переменным фокусом больше не может быть изменена посредством приложения напряжения. В конфигурацию для пациента с пресбиопией и фоновой миопией может быть по умолчанию заложена отрицательная оптическая сила для коррекции дальнего зрения. В зависимости от механической и химической конфигурации оптического элемента с переменным фокусом могут быть обеспечены и другие функциональные возможности. Следует понимать, что при напряжении выше приблизительно 17 В оптическая сила не изменяется. Соответственно привод линзы может быть выполнен с возможностью достижения 25 В с потенциальной погрешностью+/- 8 В, при этом такой привод линзы все еще сможет в полной мере активировать второй оптический элемент с переменным фокусом, например, при отсутствии наблюдаемых различий между напряжениями 17 В и 33 В. Таким образом, привод линзы может быть выполнен с возможностью выполнять неточный контроль и допускать значительные вариации в зависимости от входного напряжения, температуры, полупроводников и других параметров. Возможности таких компромиссов в отношении конфигурации позволяют реализовать привод линзы по более простой схеме, которая потребляет меньше тока и занимает меньше площади.
Следует понимать, что привод линзы может быть реализован либо на дискретных элементах, либо и в интегральной форме, при этом возможны различные уровни интеграции. На фигуре 5 представлена топология устройств для примера схемы привода линзы на дискретных элементах в соответствии с настоящим изобретением на печатной плате 500. Печатная плата 500 предпочтительно вырезана в форме кругового кольца, посредством этого позволяя сформировать коническое сечение для встраивания в линзу, например, в контактную линзу или интраокулярную линзу. Микроконтроллер 550 приводит схему с накачкой заряда в зависимости от внутренней программы и состояния различных датчиков. Как было описано в отношении фигуры 3, диоды 502, 504, 506, 508, 510 и 512 блокируют обратный ток и позволяют заряду переходить с одного этапа схемы с накачкой заряда на следующий этап. Конденсаторы 520 и 522 соединены с входом 302 (см. рисунок 3), а конденсаторы 514, 516 и 518 соединены с входом 304 (см. рисунок 3). Параллельно выходу привода линзы подключены нагрузочный конденсатор 524 и нагрузочный резистор 526. Дорожка и переходное отверстие 528 соединяют выход привода линзы с язычком 530 на печатной плате 500. Язычок 530 изгибается в требуемое положение и может быть присоединен к одной стороне линзы с помощью проводящего эпоксидного клея.
На фигуре 6 в виде системной блок-схемы 600 представлено взаимодействие примера привода линзы и оптоэлектронной системы. Пример системы 600 содержит батареи 602 или любой другой подходящий источник питания. Для этой сферы применения источник питания 602 ограничен по напряжению и току конкурирующими требованиями к системе, такими как небольшой размер. Источник питания 602 подключен к блоку управления питанием 604, который может обеспечивать регулируемый выходной сигнал, отключать нагрузку при определенном пороговом напряжении отключения батареи, обеспечивать возможность зарядки батареи и другие подходящие функции. Блок системного контроллера 606 отвечает за синхронизацию событий и активацию. Он может быть реализован в виде микроконтроллера, машины состояний или других схем. Блок системного контроллера 606 может включать или обеспечивать интерфейс со схемой датчика для определения требуемого состояния оптического элемента с переменным фокусом. Привод линзы 608 получает сигналы управления от блока системного контроллера 606 и питание от блока управления питанием 604 или, возможно, напрямую от источника питания 602. Линза 610 подключена к приводу линзы 608. Привод линзы 608 может содержать функции для повышения напряжения с использованием схемы с накачкой заряда 612, стабилизации напряжения с использованием регулятора напряжения 614, смены полярности, заземления линзы, отключения линзы и т.п. через интерфейс программирования и блок управления событиями 610 и 618 соответственно.
На фигуре 7 представлен пример формы входного сигнала для примера схемы с накачкой заряда 300, например, изображенной на фигуре 3. Форма сигнала 700 представляет собой напряжение постоянного тока, например, напряжение 3,5 В от батареи. Сигнал 700 может быть отключен, когда схема с накачкой заряда неактивна. Формы сигналов 702 и 704 представляют собой комплементарные сигналы, переключаемые между, например, заземлением и 3,5 В. На первом полупериоде сигнал 702 имеет высокий уровень, а сигнал 704 имеет низкий уровень. Это приводит к зарядке первого набора конденсаторов в схеме с накачкой заряда. Во втором полупериоде сигнал 702 имеет низкий уровень, а сигнал 704 имеет высокий уровень. Это приводит к зарядке другого набора конденсаторов. При зарядке каждого конденсатора на последовательно включенных в них диодах создается разность потенциалов. Потенциал не может привести к протеканию тока обратно в источники питания, поскольку диоды предотвращают протекание тока в обратном направлении. Потенциал приводит к протеканию тока через диоды в нагрузку. На каждом этапе напряжение повышается приблизительно на 3,5 В минус коэффициент потери.
На фигуре 8 представлен альтернативный пример привода линзы 800 с использованием полевых транзисторов структуры металл-оксид-полупроводник (полевых МОП-транзисторов) в диодном включении вместо дискретных диодов, как представлено и описано в отношении фигуры 3. Такая реализация более широко используется в интегральных схемах, хотя возможны и могут применяться и другие схемы привода линзы в соответствии с настоящим изобретением, как описано в настоящем документе. На входы тактовых сигналов 830 и 832 подают комплементарные сигналы, которые управляют конденсаторами схемы с накачкой заряда, а именно 302 и 304 на фигуре 3 и 702 и 704 на фигуре 7. Буферный этап для тактового сигнала 802 изолирует диоды и ключи привода линзы 800. Для защиты от протечки сквозного тока в ключах и обеспечения правильной работы схемы с накачкой заряда 800 необходимы не пересекающиеся тактовые сигналы. На этом фигуре не пересекающиеся тактовые сигналы задаются в параметрах моделирования. Специалистам в данной области будет понятно, что тактовые сигналы могут генерироваться в цифровом блоке управления или с использованием других схем генерации не пересекающихся тактовых сигналов, известных специалистам в данной области. Источники питания 826 и 828 представляют собой вход источника питания, а именно 306 с фигуры 3 и 700 с фигуры 7. Конденсаторы 804, 806, 808, 810, 812, 814, 816, 818, 820, 822 и 824 расположены между полевыми МОП-транзисторами 834, 836, 838, 840, 842, 844, 846, 848, 850, 852, 854 и 856. Ключи полевого МОП-транзистора 834-856 представлены как трехвыводные устройства, при этом подразумевается соединение их выводов подложки с проводом заземления. Для оптимизации работы схемы с накачкой заряда 800 для учета неидеальных характеристик полевых МОП-транзисторов, например, конечного напряжения включения и объемного эффекта, требуется дополнительная схема. Например, на выводы подложки полевых МОП-транзисторов может подаваться большее напряжение смещения по мере повышения напряжения в ступенях схемы с накачкой заряда 800. В соответствующей схеме для описанного в настоящем документе примера привода линзы полевые МОП-транзисторы предпочтительно выбирают из библиотеки устройств, изготовленных по специальной технологии получения высоковольтных полупроводниковых приборов. Например, такие полевые МОП-транзисторы предпочтительно имеют достаточно высокие напряжения пробоя оксидного слоя затвора и канала сток-исток для выдерживания напряжений, создаваемых схемой с накачкой заряда, достигающих на выходе устройства 60 (шестидесяти) вольт или более. Стандартные устройства, применяемые в стандартных процессах получения комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП), не имеют достаточно высокого напряжения пробоя для использования в этом примере привода линзы. Таким образом, вследствие использования высоких напряжений и высоковольтных полевых МОП-транзисторов формы сигнала управления, включая смещение затвора и подложки, должны соответствовать описанной схеме. Несмотря на то что на приведенной иллюстрации не указаны конкретные модели высоковольтных устройств и процессов их производства, а также схем управления ими, специалисты в данной области определят необходимость выбора подходящей конфигурации для таких устройств.
На фигуре 9 представлен результат моделирования зависимости напряжения от времени в узлах на верхнем выводе каждого конденсатора для примера системы, представленной на фигуре 8, а также итоговое выходное напряжение системы. В этом примере или моделировании привод линзы поднимает напряжение на нагрузке приблизительно до 43 В за 10 (десять) миллисекунд. Нагрузка представляет собой параллельное соединение резистора с сопротивлением 2 (два) гигаома и конденсатора емкостью 100 (сто) пикофарад, что соответствует модели линзы, построенной по результатам лабораторных измерений. Представленная на фигуре 8 схема работала на частоте 1 кГц, для каждого этапа использовали конденсаторы емкостью 1 пФ.
На фигуре 10 представлен пример контактной линзы с электронной вставкой, содержащей привод линзы в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения. Пример контактной линзы 1000 содержит мягкую пластиковую часть 1002, которая содержит электронную вставку 1004. Эта электронная вставка 1004 включает линзу 1006, которая активируется или управляется описанными в настоящем документе электронными компонентами, например, посредством фокусирования на близкорасположенный или дальний объект в зависимости от активации. Схему 1008 устанавливают на вставку 1004 и соединяют с источником питания 1010, таким как батареи, с помощью одной или более электрических соединительных дорожек 1012. Дополнительная схема также может быть подключена с помощью электрических соединительных дорожек 1012. Схема 1008 может включать любые из описанных в настоящем документе компонентов, включая один или более датчиков 1014.
Специалистам в данной области будет понятно, что возможны дополнительные варианты осуществления и изменения системы линзы с переменным фокусом. Вход умножителя напряжения может подключаться непосредственно к источнику питания или может подключаться к выходу регулятора напряжения. Система может содержать H-мост для обеспечения гибкого управления напряжениями на выводах линзы, или система может содержать только простой ключ для одного вывода при заземлении второго контакта, или она может не содержать ключей, при этом линза всегда одинаковым образом подключена к выходу умножителя напряжения. Каждое изменение может обеспечить различные компромиссы между стоимостью, площадью и рабочими характеристиками и эффективностью системы.
В одном примере осуществления электронные компоненты и электронные соединения находятся в периферийной зоне контактной линзы, а не в оптической зоне. В соответствии с альтернативным примером осуществления важно отметить, что положение электронных компонентов не обязательно ограничено периферийной зоной контактной линзы. Все описанные в настоящем документе электронные компоненты могут быть изготовлены с применением тонкопленочной технологии и/или прозрачных материалов. При использовании таких технологий электронные компоненты могут быть расположены в любом соответствующем месте, если они совместимы с оптическими компонентами.
Важно отметить, что описанная в настоящем документе схема может быть реализована аппаратно, программно или в виде комбинации аппаратных и программных средств.
Кроме того, используемая в настоящем документе печатная плата может содержать любую подходящую подложку, включая медные дорожки на гибкой полиимидной подложке с никель-золотым покрытием поверхности.
Хотя показанные и описанные варианты осуществления считаются наиболее практичными и предпочтительными, очевидно, что специалистам в данной области понятны возможности отступления от конкретных описанных и показанных конструкций и способов, и их можно использовать без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничено конкретными конструкциями, описанными и изображенными в настоящем документе, но все конструкции должны согласовываться со всеми модификациями в пределах объема, определенного в прилагаемой формуле изобретения.