1.技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電力式或電子式眼科鏡片或其他類似的裝置，更具體地講，涉及抗鋸齒光電探測器電路，該抗鋸齒光電探測器電路包括具有至少一個電容和開關(guān)的積分器，該積分器將電流轉(zhuǎn)換為電壓，以供充分阻隔/抑制噪聲的低功率和/或高動態(tài)范圍應(yīng)用使用。

2.相關(guān)領(lǐng)域的討論

隨著電子裝置持續(xù)小型化，變得越來越有可能產(chǎn)生用于多種用途的可佩戴或可嵌入的微電子裝置。此類用途可包括監(jiān)視身體化學(xué)性質(zhì)的各方面，經(jīng)由多種機(jī)械裝置(包括自動地)施用受控劑量的藥物或治療劑以響應(yīng)于測量或響應(yīng)于外部控制信號，以及增強(qiáng)器官或組織的性能。此類裝置的示例包括葡萄糖輸液泵、起搏器、去纖顫器、心室輔助裝置和神經(jīng)刺激器。一個新的尤其有用的應(yīng)用領(lǐng)域是在眼科可佩戴鏡片和接觸鏡片中。例如，可佩戴鏡片可結(jié)合具有電子可調(diào)節(jié)焦距的鏡片組件，以增強(qiáng)或提高眼睛的性能。在另一個示例中，無論是否具有可調(diào)節(jié)焦距，可佩戴的接觸鏡片均可結(jié)合電子傳感器，以檢測角膜前(淚)膜中特定化學(xué)物質(zhì)的濃度。在鏡片組件中使用嵌入式電子器件引起對與電子器件通信、通電和/或重新激活電子器件的方法、將電子器件互連、內(nèi)部和外部感測和/或監(jiān)視、以及電子器件和鏡片總體功能的控制的潛在需求。

人眼具有辨別上百萬種顏色、易于調(diào)節(jié)以改變光狀況的能力、以及以超過高速互聯(lián)網(wǎng)連接的速率將信號或信息傳輸?shù)酱竽X的能力。當(dāng)前，鏡片諸如接觸鏡片和眼內(nèi)鏡片被用來矯正視力缺陷，諸如近視(近視眼)、遠(yuǎn)視(遠(yuǎn)視眼)、老花眼和散光。然而，結(jié)合附加部件的適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)的鏡片可用來提高視力以及矯正視力缺陷。

接觸鏡片可用于矯正近視、遠(yuǎn)視、散光以及其他視敏度缺陷。接觸鏡片也可用于增強(qiáng)佩戴者的眼睛的自然外觀。接觸鏡片或“觸體”僅僅是放置在眼睛的前表面上的鏡片。接觸鏡片被視為醫(yī)療裝置并且可被佩戴用于矯正視力以及/或者用于美容或其他治療原因。自20世紀(jì)50年代起，商業(yè)上就已利用接觸鏡片來改善視力。早期的接觸鏡片由硬性材料制成或加工成形，相對較為昂貴并且脆弱。此外，這些早期的接觸鏡片由不允許足夠的氧氣通過接觸鏡片傳輸?shù)浇Y(jié)膜和角膜的材料制成，這可潛在地引起許多不良臨床效應(yīng)。盡管仍使用這些接觸鏡片，但它們因其不良初始舒適度而并不適用于所有患者。該領(lǐng)域的后續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了基于水凝膠的軟性接觸鏡片，這種鏡片在當(dāng)今極其流行且被廣泛應(yīng)用。具體地講，當(dāng)今可用的有機(jī)硅水凝膠接觸鏡片將具有極高透氧度的有機(jī)硅的有益效果與水凝膠的經(jīng)證實(shí)的舒適度和臨床性能結(jié)合在一起。事實(shí)上，與由早期硬性材料制成的接觸鏡片相比，這些基于有機(jī)硅水凝膠的接觸鏡片具有更高的透氧度并且通常具有更高的佩戴舒適度。

如上所簡述，常規(guī)的接觸鏡片為具有特定形狀的聚合物結(jié)構(gòu)以矯正各種視力問題。為了實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的功能，必須將各種電路和部件集成到這些聚合物結(jié)構(gòu)中。例如，控制電路、微處理器、通信裝置、電源、傳感器、致動器、發(fā)光二極管和微型天線可經(jīng)由定制內(nèi)置的光電部件集成到接觸鏡片中，不僅矯正視力，而且提高視力，以及提供如本文所解釋的附加功能。電子式和/或電力式接觸鏡片可被設(shè)計(jì)成經(jīng)由放大和縮小能力或者僅只是通過改變鏡片的屈光度來提高視力。電子式和/或電力式接觸鏡片可被設(shè)計(jì)成增強(qiáng)顏色和分辨率、顯示紋理信息、將語音實(shí)時轉(zhuǎn)變?yōu)樽帜弧⑻峁?dǎo)航系統(tǒng)的視覺提示，以及提供圖像處理和互聯(lián)網(wǎng)接入。鏡片可被設(shè)計(jì)成允許佩戴者在低光照狀況下視物。在鏡片上適當(dāng)設(shè)計(jì)的電子器件和/或電子器件布置可允許例如在沒有可變焦光學(xué)鏡片的情況下將圖像投射到視網(wǎng)膜上，提供新型圖像顯示器，并且甚至提供喚醒警示。作為另一種選擇或者除了這些功能或類似功能中任一種之外，接觸鏡片可結(jié)合用于非入侵地監(jiān)視佩戴者的生物標(biāo)記物的部件和健康指示器。例如，通過分析淚膜的組分，內(nèi)置于鏡片中的傳感器可使得糖尿病患者可以監(jiān)測血糖水平，而不需要抽血。此外，經(jīng)適當(dāng)?shù)嘏渲玫溺R片可結(jié)合用于監(jiān)視膽固醇、鈉和鉀水平以及其他生物標(biāo)記物的傳感器。如果結(jié)合無線數(shù)據(jù)發(fā)送器，這使得醫(yī)師幾乎可以立即得到患者的血液化學(xué)性質(zhì)，而不需要患者浪費(fèi)時間去實(shí)驗(yàn)室抽血。此外，可利用內(nèi)置于鏡片中的傳感器來檢測入射于眼睛上的光，以補(bǔ)償環(huán)境光照狀況或者用于確定眨眼模式。

裝置的適當(dāng)組合可產(chǎn)生可能無限的功能；然而，存在與將額外部件結(jié)合到光學(xué)級聚合物件上相關(guān)聯(lián)的多種困難。通常，由于多種原因難以在鏡片上直接制造此類部件，并且難以將平面裝置安裝和互連在非平面表面上。還難以按比例制造。待放置在鏡片上或鏡片中的部件需要小型化且集成到僅1.5平方厘米的透明聚合物上，同時保護(hù)這些部件不受眼上液體環(huán)境的影響。由于附加部件增加了厚度，還難以制造出對于佩戴者而言舒適且安全的接觸鏡片。

考慮到眼科裝置諸如接觸鏡片的面積和體積限制以及其使用環(huán)境，裝置的物理實(shí)現(xiàn)必須克服多個問題，包括將多個電子部件安裝和互連在非平面表面上，這些電子部件的大多數(shù)包含光學(xué)塑料。因此，需要提供機(jī)械穩(wěn)固和電穩(wěn)固的電子式接觸鏡片。

由于這些是電力式鏡片，因而考慮到在眼科鏡片尺度上的電池技術(shù)，用于驅(qū)動電子器件的能量或更具體地電流消耗是一個關(guān)切的問題。除了正常電流消耗之外，此類電力式裝置或系統(tǒng)通常需要待機(jī)電流儲備、確保在可能的各種操作參數(shù)下操作的精確電壓控制和轉(zhuǎn)換能力、以及應(yīng)對可能保持多年閑置后的突發(fā)消耗(例如，單次充電至多十八(18)小時)。因此，需要這樣的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)在具有所需低功率消耗的同時，對于低成本、長期可靠服務(wù)、安全性和尺寸是最優(yōu)化的。

此外，由于與電力式鏡片相關(guān)的功能復(fù)雜度以及包括電力式鏡片的所有部件之間的高相互作用水平，需要協(xié)調(diào)和控制包括電力式眼科鏡片的電子器件和光學(xué)器件的總體操作。因此，需要一種用于控制所有其他部件操作的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)安全、低成本且可靠，具有較低的功率消耗速率并且尺寸可縮小成能結(jié)合到眼科鏡片中。

電力式或電子式眼科鏡片可采用環(huán)境或紅外光傳感器來檢測環(huán)境光照度條件、佩戴者眨眼和/或來自其他裝置的可見或紅外通信信號。眨眼檢測或基于光線的通信可用作控制電力式眼科鏡片一個或多個方面的方法。人眼能夠在從約1勒到超過100,000勒的光線水平的較大動態(tài)范圍內(nèi)工作。因此，適用于電力式眼科鏡片的光傳感器必須能夠在環(huán)境光線水平的很廣的動態(tài)范圍內(nèi)工作。此外，在使用中遇到的照明環(huán)境可包括在入射光能量方面造成噪聲和干涉的光源。例如，當(dāng)在美國60Hz的電力系統(tǒng)中工作時，熒光辦公室照明具有兩倍于線頻率的顯著脈動，具有平均光線水平約30％的幅值，以120Hz的速率變化。

環(huán)境光傳感器或光電探測器被用于許多系統(tǒng)和產(chǎn)品中，例如用于電視中以根據(jù)房間光照來調(diào)節(jié)亮度，用于燈中以在黃昏時開啟，以及用于電話中以調(diào)節(jié)屏幕亮度。傳統(tǒng)光電探測器系統(tǒng)采用光電二極管來生成與入射光能量成比例的光電流，并采用布置為互阻抗放大器的運(yùn)算放大器電路來提供控制實(shí)施所需功能的電路的電壓信號，所需功能諸如遠(yuǎn)程控制或屏幕亮度調(diào)整。某些遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用環(huán)境光線抑制濾波器并接收幅值經(jīng)過調(diào)制的載波，該載波的頻率在30kHz至50kHz的范圍內(nèi)，被傳遞至帶通濾波級，以通過所需的調(diào)制載波信號并抑制不需要的信號。然而，這些當(dāng)前利用的光電探測器系統(tǒng)不具有足夠低的功率消耗或足夠高的動態(tài)范圍供電力式眼科鏡片使用。此外，將帶通濾波器和/或環(huán)境光抑制濾波器用于紅外通信會阻礙使用同一傳感器對于環(huán)境光線水平的檢測，并且需要額外的電路或傳感器來進(jìn)行環(huán)境光和眨眼檢測。

因此，需要適于整合到電力式或電子式眼科鏡片中的光電探測器系統(tǒng)。目前應(yīng)用的光電探測器系統(tǒng)優(yōu)選地具有低功率消耗、寬動態(tài)范圍、噪聲抑制特性、以及檢測環(huán)境可見光和紅外光兩者的能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的具有抗鋸齒光電探測器系統(tǒng)的電力式或電子式眼科鏡片克服了如上簡述的與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的局限性。

根據(jù)一個方面，本發(fā)明涉及一種電力式眼科裝置。該電力式眼科裝置包括第一傳感器，第一傳感器包括一個或多個生成第一輸出電流的光電二極管；以及用于接收第一輸出電流并將其轉(zhuǎn)換為第一輸出電壓的第一積分器，其中第一積分器包括第一開關(guān)和第一電容器，并且被配置成在預(yù)先確定的積分時間段內(nèi)將第一輸出電流積分。

根據(jù)另一個方面，本發(fā)明涉及一種電力式眼科裝置。該電力式眼科裝置包括第一傳感器，第一傳感器包括一個或多個生成第一輸出電流的光電二極管；用于接收第一輸出電流并將其轉(zhuǎn)換為供下游使用的第一輸出電壓的第一積分器，其中第一積分器包括第一開關(guān)和第一電容器，并且被配置成在預(yù)先確定的積分時間段內(nèi)將第一輸出電流積分；以及一個參考電壓源，其中第一開關(guān)被配置成將第一電容器選擇性地耦接到參考電壓源；其中來自光電二極管的第一輸出電流的分量與入射光成比例，預(yù)先確定的積分時間段是不可取的信號的周期的函數(shù)，第一傳感器還被配置成首先閉合第一開關(guān)以使第一電容器在預(yù)充電時間間隔內(nèi)預(yù)充電，然后在預(yù)先確定的積分時間段內(nèi)再次斷開第一開關(guān)，并將一個或多個光電二極管選擇性地耦接到第一電容器，使得傳感器的增益和/或靈敏度可以變化。

根據(jù)另一個方面，本發(fā)明涉及一種光感測裝置。該光感測裝置包括第一傳感器，第一傳感器包括一個或多個生成第一輸出電流的光電二極管；以及用于接收第一輸出電流并將其轉(zhuǎn)換為第一輸出電壓的第一積分器，其中第一積分器包括第一開關(guān)和第一電容器，并且被配置成在預(yù)先確定的積分時間段內(nèi)將第一輸出電流積分。

本發(fā)明涉及一種包括電子系統(tǒng)的電力式眼科裝置，諸如接觸鏡片，其中電子系統(tǒng)執(zhí)行任何數(shù)量的功能，包括致動可變焦光學(xué)器件(如果包括的話)。該電子系統(tǒng)包括一個或多個電池或其他電源、功率管理電路、一個或多個傳感器、時鐘生成電路、控制算法和電路，以及鏡片驅(qū)動電路。此外，根據(jù)本發(fā)明的電子系統(tǒng)還包括光電探測器系統(tǒng)，用于將來自光電探測器陣列的電流轉(zhuǎn)換為在電力式眼科裝置的其他方面使用的電壓。

本發(fā)明的光電探測器系統(tǒng)包括具有多個單獨(dú)的光電二極管的光電二極管陣列、用于將電流轉(zhuǎn)換為電壓的包括電容器和開關(guān)的積分保持電路，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器。包括陣列的光電二極管的數(shù)目可能變化以改變系統(tǒng)的靈敏度。積分保持電路取代了運(yùn)算放大器，由此降低了裝置的功率消耗，并且還起到有效抗鋸齒濾波器的作用，由此因無需額外的濾波器而減小系統(tǒng)的總體尺寸。在其他實(shí)施方案中，可利用額外的電路來補(bǔ)償暗電流或漏電流。本發(fā)明的光電探測器系統(tǒng)具有低功率消耗、寬動態(tài)范圍、噪聲抑制特性、以及檢測入射環(huán)境可見光和入射紅外光兩者的能力。

根據(jù)本發(fā)明的光電探測器系統(tǒng)克服了如上簡述的與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的局限性。更具體地講，本發(fā)明的光電探測器系統(tǒng)能夠在較寬的環(huán)境光線水平的動態(tài)范圍內(nèi)檢測入射可見光和紅外通信信號，并以極低的功率工作。本發(fā)明的光電探測器系統(tǒng)在給定尺寸的情況下，還能夠更容易地集成到諸如接觸鏡片的電力式眼科裝置中。

附圖說明

以下附圖更具體地說明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，通過這些說明，本發(fā)明的上述及其他特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。

圖1示出了包括根據(jù)本發(fā)明的光電探測器系統(tǒng)的示例性接觸鏡片。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的光電探測器系統(tǒng)的圖示。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的光電探測器系統(tǒng)的相關(guān)信號的示例性時序圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的光電探測器系統(tǒng)的頻率響應(yīng)的圖形表示。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的具有暗電流消除功能的光電探測器系統(tǒng)的圖解示意圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的示例性集成電路芯片上光阻擋區(qū)域和光通過區(qū)域的圖解示意圖。

圖7為定位在根據(jù)本發(fā)明的電力式或電子式接觸鏡片中的示例性電子插件的圖解示意圖，該電子插件包括光電探測器系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

如上所簡述，常規(guī)的接觸鏡片為具有特定形狀的聚合物結(jié)構(gòu)以矯正各種視力問題。為了實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的功能，可將各種電路和部件集成到這些聚合物結(jié)構(gòu)中。例如，控制電路、微處理器、通信裝置、電源、傳感器、致動器、發(fā)光二極管和微型天線可經(jīng)由定制內(nèi)置的光電部件集成到接觸鏡片中，不僅矯正視力，而且提高視力，以及提供如本文所解釋的附加功能。電子式和/或電力式接觸鏡片可被設(shè)計(jì)成經(jīng)由放大和縮小能力或者僅只是通過改變鏡片的屈光度來提高視力。電子式和/或電力式接觸鏡片可被設(shè)計(jì)成增強(qiáng)顏色和分辨率、顯示紋理信息、將語音實(shí)時轉(zhuǎn)變?yōu)樽帜弧⑻峁?dǎo)航系統(tǒng)的視覺提示，以及提供圖像處理和互聯(lián)網(wǎng)接入。鏡片可被設(shè)計(jì)成允許佩戴者在低光照狀況下視物。鏡片上適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)的電子器件和/或電子器件的布置可允許例如在沒有可變焦光學(xué)鏡片的情況下將圖像投射到視網(wǎng)膜上，提供新型圖像顯示器，并甚至提供喚醒警示。作為另一種選擇或者除了這些功能或類似功能中任一種之外，接觸鏡片可結(jié)合用于非入侵地監(jiān)視佩戴者的生物標(biāo)記物的部件和健康指示器。例如，通過分析淚膜的組分，內(nèi)置于鏡片中的傳感器使得糖尿病患者可以監(jiān)測血糖水平，而不需要抽血。此外，經(jīng)適當(dāng)?shù)嘏渲玫溺R片可結(jié)合用于監(jiān)視膽固醇、鈉和鉀水平以及其他生物標(biāo)記物的傳感器。如果結(jié)合無線數(shù)據(jù)發(fā)送器，這使得醫(yī)師幾乎可以立即得到患者的血液化學(xué)性質(zhì)，而不需要患者浪費(fèi)時間去實(shí)驗(yàn)室抽血。此外，可利用內(nèi)置于鏡片中的傳感器來檢測入射于眼睛上的光，以補(bǔ)償環(huán)境光照狀況或者用于確定眨眼模式。

本發(fā)明的電力式或電子式接觸鏡片包括必要元件，以矯正和/或提高具有一種或多種上述視力缺陷的患者的視力，或者以其他方式執(zhí)行可用的眼科功能。此外，電子式接觸鏡片可僅僅用來提高正常的視力，或者提供如上所述的多種功能。電子式接觸鏡片可包括可變焦光學(xué)鏡片，嵌入接觸鏡片中的已組裝前光學(xué)器件，或者僅只是嵌入任何合適功能的電子器件而沒有鏡片。本發(fā)明的電子式鏡片可結(jié)合到任何數(shù)目的上述接觸鏡片中。此外，眼內(nèi)鏡片也可結(jié)合本文所述的各種部件和功能。然而，為了容易解釋，本公開將集中于用于矯正視力缺陷的旨在單次使用的日拋型電子式接觸鏡片。

本發(fā)明可用于包括電子系統(tǒng)的電力式眼科鏡片或電力式接觸鏡片，電子系統(tǒng)用于致動可變焦光學(xué)器件或任何其他被配置成能夠?qū)崿F(xiàn)可執(zhí)行的任何數(shù)量諸多功能的一種或多種裝置。該電子系統(tǒng)包括一個或多個電池或其他電源、功率管理電路、一個或多個傳感器、時鐘生成電路、控制算法和電路，以及鏡片驅(qū)動電路。這些部件的復(fù)雜性可根據(jù)所需或所期望的鏡片功能而不同。

對電子式或電力式眼科鏡片的控制可通過與鏡片通信的手動操作式外部裝置諸如手持式遠(yuǎn)程單元來實(shí)現(xiàn)。例如，表鏈可基于佩戴者的人工輸入與電力式鏡片進(jìn)行無線通信。作為另外一種選擇，對電力式眼科鏡片的控制可經(jīng)由直接來自于佩戴者的反饋信號或控制信號來實(shí)現(xiàn)。例如，內(nèi)置于鏡片中的傳感器可檢測眨眼和/或眨眼模式?；谡Ｑ勰Ｊ交蛘Ｑ坌蛄?，為了聚焦于近處物體或遠(yuǎn)處物體上，電力式眼科鏡片可改變狀態(tài)，例如改變其屈光力。

作為另外一種選擇，電力式或電子式眼科鏡片中的眨眼檢測可用于其中在使用者與電子式接觸鏡片之間存在相互作用的各種其他用途，諸如激活另一電子裝置或向另一電子裝置發(fā)送命令。例如，眼科鏡片中的眨眼檢測可與計(jì)算機(jī)上的照相機(jī)結(jié)合使用，其中照相機(jī)跟蹤眼睛在計(jì)算機(jī)屏幕上移動的位置，當(dāng)用戶執(zhí)行眨眼序列并且眨眼檢測檢測到該眨眼序列時，引起鼠標(biāo)指針執(zhí)行命令，諸如雙擊某一個項(xiàng)、高亮顯示某一個項(xiàng)或選擇菜單項(xiàng)。

眨眼檢測算法可以是用于檢測眨眼特性的系統(tǒng)控制器部件，例如檢測眼瞼是張開的還是閉合的、眨眼的持續(xù)時間、眨眼之間的持續(xù)時間、以及在給定時間周期中的眨眼次數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的算法依賴于以某一取樣速率取樣入射于眼睛上的光。預(yù)先確定的眨眼模式將被存儲并與最近的入射光樣本進(jìn)行比較。當(dāng)模式相匹配時，眨眼檢測算法可觸發(fā)系統(tǒng)控制器中的活動，例如以激活鏡片驅(qū)動器從而改變鏡片的屈光力。

眨眼是眼瞼的快速閉合和打開，并且是眼睛的基本功能。眨眼保護(hù)眼睛免受異物損傷，例如當(dāng)物體意外地出現(xiàn)在眼睛附近時，個體便會眨眼。眨眼通過鋪展眼淚而在眼睛的前表面上提供潤滑作用。眨眼還用于從眼睛移除污染物和/或刺激物。正常情況下，眨眼是自動完成的，但外部刺激可能會導(dǎo)致眨眼，例如在存在刺激物的情況下。然而，眨眼也可能是有目的，例如對于不能通過語言或通過手勢進(jìn)行交流的個體可通過眨眼一次來表示“是”、通過眨眼兩次來表示“否”。本發(fā)明的眨眼檢測算法和系統(tǒng)利用不會與正常眨眼響應(yīng)相混淆的眨眼模式。換句話講，如果要將眨眼用作用于控制動作的方法，則為給定動作所選擇的特定模式不能無規(guī)地出現(xiàn)；否則，可能發(fā)生無意的動作。由于眨眼速度可受到若干因素(包括疲勞、眼睛受傷、用藥和疾病)的影響，用于控制目的的眨眼模式優(yōu)選地考慮到這些因素以及任何其他影響眨眼的變量。無意眨眼的平均長度在約一百(100)毫秒至四百(400)毫秒的范圍內(nèi)。成年男性和女性的平均眨眼速率為每分鐘十(10)次無意眨眼，無意眨眼之間的平均時間為約0.3秒至七十(70)秒。需著重注意的是，個體的眨眼速率可能由于其他因素而變化，例如個體在專心做事或閱讀時眨眼減少，而個體在無聊時眨眼會增加。

然而，如上文所示，本發(fā)明的光電探測器系統(tǒng)優(yōu)選地針對超出眨眼檢測功能的額外功能來設(shè)計(jì)。例如，可出于任何目的利用本發(fā)明的光電探測器系統(tǒng)來檢測入射可見光和/或紅外通信信號。

圖1以框圖形式示出示例性電力式或電子式接觸鏡片100，該接觸鏡片包括光電探測器系統(tǒng)102、信號處理電路104、系統(tǒng)控制器106、電源108和致動器110。在將接觸鏡片100置于用戶眼睛的前表面上時，可利用光電探測器系統(tǒng)102來檢測環(huán)境光、入射光水平的變化或紅外通信信號。構(gòu)成示例性電力式接觸鏡片100的每個部件的功能和操作如下所述。

在該示例性實(shí)施方案中，光電探測器系統(tǒng)102可嵌入接觸鏡片100中，接收環(huán)境光或紅外光101，以及將數(shù)據(jù)信號112提供給信號處理電路104，該數(shù)據(jù)信號具有表示入射于接觸鏡片100上的光能量的值。光電探測器系統(tǒng)102和信號處理電路104可被配置用于雙向通信。換句話講，信號處理電路104可向光電探測器系統(tǒng)102提供一個或多個信號，隨后會示出該信號的示例。信號處理電路104可用于數(shù)字信號處理，該數(shù)字信號處理包括對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、處理、檢測以及以其他方式操縱/處理中的一種或多種，從而允許入射光檢測供下游使用。信號處理電路104可被配置成檢測用于指示特定眨眼模式或紅外通信協(xié)議的預(yù)先確定的光線變化序列。在檢測到預(yù)先確定的序列后，信號處理電路104可向系統(tǒng)控制器106提供指示信號114，作為響應(yīng)，系統(tǒng)控制器106可作用以更改致動器110的狀態(tài)，例如通過啟用、禁用或改變致動器110的諸如幅值或工作周期等的操作參數(shù)來進(jìn)行更改。系統(tǒng)控制器106和信號處理電路104可被配置用于雙向通信。換句話講，系統(tǒng)控制器106可向信號處理電路104提供一個或多個信號，隨后會示出該信號的示例。

系統(tǒng)控制器106可向光電探測器系統(tǒng)102提供反饋信號調(diào)整光電探測器系統(tǒng)102的增益，作為對環(huán)境光線水平的響應(yīng)，從而最大化系統(tǒng)的動態(tài)范圍。

在一些實(shí)施方案中，信號處理電路104可實(shí)施為數(shù)字邏輯電路，光電探測器系統(tǒng)102可被配置成提供數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號112。還可將系統(tǒng)控制器106實(shí)施為數(shù)字邏輯電路，以及實(shí)施為單獨(dú)的部件或與信號處理電路104集成?？捎米远x邏輯、重新編程的邏輯或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的一個或多個微控制器來實(shí)施信號處理電路104和系統(tǒng)控制器106。信號處理電路104和系統(tǒng)控制器106可包括相關(guān)的存儲器來保留數(shù)據(jù)信號112的值的歷史記錄或系統(tǒng)的狀態(tài)。需著重注意的是，可以利用任何合適的排列和/或配置。

電源108為構(gòu)成接觸鏡片100的多個部件提供電力。電力可由電池、能量采集器或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的其他合適裝置來提供。實(shí)質(zhì)上，可利用任何類型的電源108來為系統(tǒng)的所有其他部件提供可靠的電力。可利用具有預(yù)先確定的序列或消息值的眨眼序列或紅外通信信號來更改上文示出的系統(tǒng)和/或系統(tǒng)控制器的狀態(tài)。此外，系統(tǒng)控制器106可根據(jù)來自信號處理器104的輸入來控制電力式接觸鏡片的其他方面，例如通過致動器110來改變電子控制式鏡片的焦距或屈光力。如圖所示，電源108連接至其他部件中的每一個并且將連接至需要電力的任何額外元件或功能塊。

致動器110可包括用于基于所接收的命令信號來實(shí)現(xiàn)特定動作的任何適合裝置。例如，如果已按上述方式檢測到眨眼激活序列，則系統(tǒng)控制器106可啟用致動器110，以控制電子式或電力式鏡片的可變光學(xué)元件。致動器110可包括電氣裝置、機(jī)械裝置、磁性裝置或它們的任何組合。除了從電源108接收電力，致動器110還從系統(tǒng)控制器106接收信號，并基于來自系統(tǒng)控制器106的信號產(chǎn)生一些動作。例如，如果系統(tǒng)控制器106的信號指示佩戴者正在試圖聚焦于近處物體上，則可利用致動器110改變電子式眼科鏡片的屈光力，例如經(jīng)由動態(tài)多液體光學(xué)區(qū)。在另選的示例性實(shí)施方案中，系統(tǒng)控制器106可輸出指示應(yīng)向眼睛遞送治療劑的信號。在該示例性實(shí)施方案中，致動器110可包括泵和貯存器，例如微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)泵。如上所述，本發(fā)明的電力式鏡片可提供多種功能，因此，可不同地配置一個或多個致動器以實(shí)現(xiàn)這些功能。

圖2以部分示意圖、部分框圖形式示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案的光電探測器系統(tǒng)200。光電探測器系統(tǒng)200包括具有多個單獨(dú)的光電二極管的光電二極管陣列202；積分保持電路204；以及提供輸出數(shù)據(jù)信號208的模數(shù)轉(zhuǎn)換器206。光電二極管陣列202包括一個或多個具有陰極端子的光電二極管DG1至DG5，這些陰極端子被選擇性地耦接到陰極節(jié)點(diǎn)210。在其他示例性實(shí)施方案中，光電二極管陣列202可包括另外的光電二極管、更少光電二極管或甚至是單個光電二極管。選擇性耦接由增益信號pd_gain的值確定，該值可由信號處理電路提供，例如圖1中所示的信號處理電路104。光電二極管構(gòu)造的詳細(xì)說明隨后給出。在一些實(shí)施方案中，當(dāng)一個或多個光電二極管DG1至DG5中的一個未耦接到陰極節(jié)點(diǎn)210時，其陰極端子可耦接到電路接地以將與半導(dǎo)體二極管結(jié)相關(guān)聯(lián)的寄生電容放電。一個或多個光電二極管DG1至DG5生成響應(yīng)于入射光212的光電流。硅半導(dǎo)體光電二極管通常生成具有與入射光能量成比例的值的光電流，并且由于漏電流機(jī)制還生成“暗電流”，該暗電流獨(dú)立于入射光存在并且可與整個光電二極管的溫度和電壓成比例。因此由光電二極管陣列202生成的總電流包括由入射光212確定的分量以及由所選一個或多個光電二極管DG1至DG5生成的暗電流分量。硅半導(dǎo)體光電二極管還包括結(jié)電容。

積分保持電路204包括積分電容器Cint、保持開關(guān)S3和預(yù)充電開關(guān)S4。保持開關(guān)S3基于保持信號holdB的值，將陰極節(jié)點(diǎn)210選擇性地耦接到積分電容器C_int。當(dāng)保持信號holdB提供邏輯一或高電壓值時，保持開關(guān)S3優(yōu)選地被配置成關(guān)，當(dāng)保持信號holdB提供邏輯零或低電壓值時，則被配置成開。預(yù)充電開關(guān)S4基于預(yù)充電信號PRECHRG的值，將積分電容器C_int選擇性地耦接到參考電壓vref。當(dāng)預(yù)充電信號PRECHRG呈現(xiàn)邏輯一或高電壓值時，預(yù)充電開關(guān)S4優(yōu)選地被配置成關(guān)，當(dāng)預(yù)充電信號PRECHRG呈現(xiàn)邏輯零或低電壓值時，則被配置成開。積分電容器C_int還連接到積分輸出電壓節(jié)點(diǎn)Int_vout。在工作中，積分電容器C_int預(yù)充電至參考電壓vref，然后將由光電二極管陣列202消耗的電流積分，從而得到積分的輸出電壓Int_vout。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器206被配置成接收在積分電容器C_int上形成并在積分輸出電壓節(jié)點(diǎn)Int_vout上提供的電壓，并提供表示積分輸出電壓的數(shù)字輸出值Dout。模數(shù)轉(zhuǎn)換器206可被配置成接收啟用信號adc_en_rst。在一些示例性實(shí)施方案中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器206被配置成當(dāng)adc_en_rst呈現(xiàn)邏輯零值時重置，當(dāng)adc_en_rst轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬕恢禃r開始轉(zhuǎn)換操作。

在該示例性實(shí)施方案中，增益信號pd_gain是以pd_gain＜4：0＞符號表示的五位數(shù)字信號，這樣由光電二極管陣列202生成的總光電流可適當(dāng)?shù)財U(kuò)展以適應(yīng)入射光強(qiáng)度。另外在該示例性實(shí)施方案中，光電二極管DG1、DG2、DG3、DG4和DG5分別包括1個、7個、56個、448個和3584個光電二極管元件。在非常高的入射光強(qiáng)度下，來自僅一個光電二極管元件陰極(DG1)的光電流可輸出至積分器，并且剩余所有陰極短接到地。在較低的光強(qiáng)度下，可同時選擇光電二極管DG1和DG2，提供八倍于光電二極管DG1的靈敏度。同樣對于逐漸降低的強(qiáng)度，選擇光電二極管DG1、DG2和DG3可提供64倍于光電二極管DG1的靈敏度，選擇光電二極管組DG1至DG4則可提供512倍于光電二極管DG1的靈敏度。在最低的可用光強(qiáng)度下，選擇光電二極管DG1至DG5可提供4096倍于光電二極管的靈敏度，方法是選擇陣列中的全部4096個光電二極管元件。這樣可經(jīng)由光電二極管陣列202在72dB范圍內(nèi)靈敏度的增益信號pd_gain進(jìn)行數(shù)字控制。

圖3示出了圖2中示出的示例性光電探測器系統(tǒng)200的積分和轉(zhuǎn)換序列的時序圖。首先，在由301指示的時間處，保持信號holdB被設(shè)定為用于閉合保持開關(guān)S3的高電壓值，并因而將積分電容器C_int耦接到陰極節(jié)點(diǎn)210和光電二極管陣列202。然后在302處斷言預(yù)充電信號PRECHRG，從而閉合預(yù)充電開關(guān)S4并將積分電容器C_int、陰極節(jié)點(diǎn)210以及所選一個或多個光電二極管DG1至DG5的結(jié)電容耦接到參考電壓vref。需著重注意的是，當(dāng)以標(biāo)記為Int_vout的跡線中示出的積分電容器C_int上的電壓在時間302之前顯示為恒定值時，電壓可為由光電探測器系統(tǒng)(圖2)上的入射光自之前操作起經(jīng)過的時間以及由其他本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解的其他相似功能確定的任何合理值。接下來在303處，取消斷言預(yù)充電信號PRECHRG，從而斷開參考電壓vref并允許由光電二極管陣列202消耗電流以將積分電容器C_int放電。在積分時間T_int之后，在304處將保持信號holdB設(shè)置為低電壓值，從而斷開保持開關(guān)S3。然后在305處，將啟用信號adc_en_rst驅(qū)動至邏輯零值，隨后驅(qū)動至邏輯一值，以開始轉(zhuǎn)換操作。在轉(zhuǎn)換時間Tadc之后，數(shù)字輸出值Dour會呈現(xiàn)表示積分電壓Vint的新值。在該示例性實(shí)施方案中，積分電壓由參考電壓vref與積分輸出電壓節(jié)點(diǎn)Int_vout上所提供的積分電容器C_int上的電壓之差表示。

一個或多個光電二極管DG1至DG5中的每一個可建模為電流源。由光電二極管陣列202生成的總電流可通過積分電容器C_int積分。在信號鏈中不需要運(yùn)算放大器，并且該信號鏈繼而允許極低的功率耗散。在積分時間T_int結(jié)束時，積分器輸出上所得的電壓由下式確定

Int_vout＝vref-(IPD/C_int)·T_int， (1)

其中T_int為積分時間段，IPD為由光電二極管陣列202生成的總電流?？蓮谋竟娇闯?，當(dāng)量電阻Rgain由下式計(jì)算得出，該電阻用于確定互阻增益并且將輸入電流轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭妷海?/p>

Rgain＝T_int/C_int。 (2)

可從公式2看出，Rgain與T_int成正比并與C_int成反比。為了便于討論，該電阻可被視為時變電阻器。因此，例如，要增大增益，我們可增大積分間隔T_int，以及/或者減小積分電容器C_int。這樣，通過較小的電容器即可實(shí)現(xiàn)較高的增益值，進(jìn)而得到較小的芯片尺寸，這又是優(yōu)選的設(shè)計(jì)參數(shù)。因此要調(diào)整增益，可切入或切出額外的電容和/或更改積分時間T_int，例如經(jīng)由數(shù)字控制。

請注意，利用很小的面積即可得到非常大的Rgain值，因此本發(fā)明的電路適用于半導(dǎo)體芯片中的積分，也適用于諸如電力式接觸鏡片的生物醫(yī)學(xué)器械中。例如，當(dāng)C_int＝1pF、T_int＝100mS時，Rgain＝100GΩ，在典型的0.18μm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝中，僅約14μm×14μm的面積即可實(shí)現(xiàn)此值。

在積分輸出電壓節(jié)點(diǎn)Int_vout(公式1)上提供的電壓隨后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器206進(jìn)行數(shù)字化。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿刻度輸出對應(yīng)于Vint＝vref以及積分輸出電壓節(jié)點(diǎn)Int_vout上的0V電壓，并且對應(yīng)于由下式確定的滿刻度光電流IPD(FS)

(FS)＝Cint·vref/Tint。 (3)

對應(yīng)于積分和保持運(yùn)算的周期性時變刺激響應(yīng)可通過時變刺激響應(yīng)h(，)描述，其中

h(τ，t)＝u(τ)-u(τ+(N-l)·T_int-t)， (4)

在以下間隔內(nèi)，(N-1)·T_int＜t≤(N·T_int)，N＝1，2，3，...。

公式4在時間t提供刺激響應(yīng)h(，)，其中N是表示給定積分時間間隔的整數(shù)。公式4示出時變刺激響應(yīng)即為脈沖，其寬度隨t增大至t＝T_int線性增大。然后在t＝T_int+處，刺激響應(yīng)脈沖寬度回降至零寬度(預(yù)設(shè)值)，并再次開始增大，直至t＝2T_int(這是周期性的，周期＝T_int)。在t＝T_int+中的加號(+)意指在t＝T_int這一刻計(jì)算立即開始。

在每個積分間隔的末尾，t＝N*T_int(N＝1，2，3，...)，并且在公式4中，刺激響應(yīng)由下式確定

h(τ，N·T_int)＝u(τ)-u(τ-T_int)。 (5)

在每個積分間隔末尾的刺激響應(yīng)的拉普拉斯轉(zhuǎn)化傳遞函數(shù)(公式5)由下式確定

H(s)＝[1-e-(s·T_int)]/(s·T_int)。 (6)

使公式6中的s＝j(luò)2πf，然后進(jìn)行簡化，得到由下式確定的積分和保持運(yùn)算的傅立葉變換

H(j2πf)＝e^{-(jπ·Tint·f)}sin(π·T_int·f)/(π·T_int·f)。 (7)

可從公式7看出，所得頻率響應(yīng)大小與頻率f(提供20dB/dec衰減)成反比，并且由周期性零(凹口)中斷。

圖4示出頻率響應(yīng)大小和積分時間T_int 0.1s的頻率，并且在10Hz的倍數(shù)時具有周期性零(凹口)。應(yīng)當(dāng)理解公式7的歸一化頻率響應(yīng)與C_int無關(guān)。即，拐角頻率和頻率響應(yīng)的形狀與C_int無關(guān)，僅取決于積分間隔T_int的長度。

可從公式看出，頻率響應(yīng)相位呈完全線性，具有由下式確定的延遲

Tdelay＝T_int/2。 (8)

周期性凹口出現(xiàn)在頻率fN處，該頻率由下式確定

fN＝N/T_int， (9)

其中N＝1，2，3...。

選擇如下ADC采樣頻率

fs＝1/T_int。 (10)

圖4中示出了頻率響應(yīng)，其中T_int＝0.1s(fs＝10Hz)，具有4.4Hz的3dB拐角頻率，從而過渡到10Hz處的第一凹口(無窮大衰減)。因此積分和保持運(yùn)算用作非常有效的抗鋸齒濾波器，從而非常迅速地衰減Nyquist頻率(fs/2)上方的頻率。對于許多環(huán)境光或紅外通信應(yīng)用，無需額外的抗鋸齒濾波器電路，從而最小化本發(fā)明光電探測器系統(tǒng)所需的面積。

周期性凹口還延伸至數(shù)倍AC線頻率(50Hz或60Hz)。這樣便具有在100Hz或120Hz時超出已有的約30dB抗性的額外熒光燈閃爍抑制的增加的優(yōu)勢，原因在于4.4Hz拐角上方有20dB/dec的衰減。對于T_int＝1/Fs的另一個選擇為83.33...ms，在12Hz的倍數(shù)和-3dB的拐角頻率5.33Hz處提供凹口。

積分和重置功能所需的總電流由每個采樣周期或循環(huán)將C_int預(yù)充電至vref所需的電流確定。假設(shè)積分電容器C_int在每個循環(huán)完全放電的平均電流由下式確定

Iavg＝vref·C_int/T_int。 (11)

通過舉例說明，如果光電探測器系統(tǒng)的vref＝1.8V、C_int＝145pF、并且T_int＝100mS，則積分器的平均電流Iavg＝2.6nA(標(biāo)稱)。這假設(shè)C_int在每個采樣周期或循環(huán)由光電二極管電流完全放電。應(yīng)當(dāng)理解，平均電源電流等于由光電二極管陣列202所生成總電流的平均值。

因此較低的功率耗散需要由光電二極管陣列202生成的較低電流，并且對于積分時間T_int上的滿刻度過渡，需要較小的積分電容器C_int值?？傮w而言，最佳的最低功率、最小設(shè)計(jì)可具有包括最小尺寸光電二極管結(jié)和小型積分電容器C_int的光電二極管陣列202。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會知道，最小尺寸可受到采樣噪聲、開關(guān)電荷注入以及涉及電路和裝置非理想狀態(tài)的其他考慮事項(xiàng)限制。

圖5以部分示意圖、部分框圖形式示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方案的具有暗電流消除功能的光電探測器系統(tǒng)500。光電探測器系統(tǒng)500包括具有耦接到第一陰極節(jié)點(diǎn)504的光電二極管DG1至DG5的光電二極管陣列502、第一積分保持電路506、耦接到第二陰極節(jié)點(diǎn)510的暗光電二極管陣列508、第二積分保持電路512、輸入選擇開關(guān)514、模數(shù)轉(zhuǎn)換器516、第一寄存器518、第二寄存器520以及提供輸出數(shù)據(jù)信號524的減法器522。光電二極管陣列502和積分保持電路506工作以生成第一積分電壓Int_vout，其工作方式分別與結(jié)合圖2在上文所述的光電探測器系統(tǒng)200的光電二極管陣列202和積分保持電路204類似。

如上文所示，硅半導(dǎo)體光電二極管由于漏電流機(jī)制生成“暗電流”，該暗電流獨(dú)立于入射光存在并且可與整個光電二極管的溫度和電壓成比例。因此，利用暗電流光電二極管陣列來進(jìn)行補(bǔ)償，隨后將對此進(jìn)行詳述。暗電流光電二極管陣列508包括一個或多個具有陰極端子的光電二極管DG1a至DG5a，這些端子被選擇性地耦接到陰極節(jié)點(diǎn)510。以與光電二極管陣列202和502類似的方式，暗電流光電二極管陣列508中的選擇性耦接由pd_gain信號的值確定，該值可通過信號處理電路提供。在一些示例性實(shí)施方案中，當(dāng)一個或多個光電二極管DG1a至DG5a中的一個未耦接到第二陰極節(jié)點(diǎn)510時，其陰極端子可耦接到電路接地以將與半導(dǎo)體二極管結(jié)相關(guān)聯(lián)的寄生電容放電。一個或多個光電二極管DG1a至DG5a覆蓋有諸如金屬層的阻光層，因此它們不會生成響應(yīng)于入射光526的光電流。然而，可利用任何合適的阻光層或涂層。因此由暗光電二極管陣列508生成的總電流僅包括由所選一個或多個光電二極管DG1a至DG5a生成的暗電流或漏電流分量。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會知道，如果光電二極管DG1a至DG5a以及DG1至DG5一起制造，例如在同一硅晶片中，并且如果對應(yīng)的光電二極管(DG1和DG1a、DG2和DG2a等)具有相同有效的尺寸和面積，則由光電二極管DG1a至DG5a生成的暗電流在量值上與由光電二極管陣列502的光電二極管DG1至DG5生成的暗電流非常類似。

第二積分保持電路512包括第二積分電容器C_inta、第二保持開關(guān)S3a和第二預(yù)充電開關(guān)S4a。第二保持開關(guān)S3a基于保持信號holdB的值，將第二陰極節(jié)點(diǎn)510選擇性地耦接到第二積分電容器C_inta。當(dāng)保持信號holdB呈現(xiàn)邏輯一或高電壓值時，第二保持開關(guān)S3a優(yōu)選地被配置成關(guān)，當(dāng)保持信號holdB呈現(xiàn)邏輯零或低電壓值時，則被配置成開。第二預(yù)充電開關(guān)S4s基于預(yù)充電信號PRECHRG的值，將第二積分電容器C_inta選擇性地耦接到參考電壓vref。當(dāng)預(yù)充電信號PRECHRG呈現(xiàn)邏輯一或高電壓值時，第二預(yù)充電開關(guān)S4a優(yōu)選地被配置成關(guān)，當(dāng)預(yù)充電信號PRECHRG呈現(xiàn)邏輯零或低電壓值時，則被配置成開。第二積分電容器C_inta還連接到積分輸出電壓節(jié)點(diǎn)Int_vout。在工作中，第二積分電容器C_int預(yù)充電至參考電壓vref，然后將由暗光電二極管陣列506消耗的電流積分，得到第二積分的輸出電壓Int_vouta。

輸入選擇開關(guān)514被配置成將第一積分輸出電壓Int_vout或第二積分輸出電壓Int_vouta中的一個選擇性地耦接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器516的輸入。可基于由信號處理電路或控制器提供的選擇控制信號sel確定選擇性耦接。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器516被配置成接收通過輸入選擇開關(guān)514選擇性地耦接的電壓并提供數(shù)字輸出值。在該示例性實(shí)施方案中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器516選擇性地存儲對應(yīng)于第一寄存器518中積分輸出電壓Int_vout的數(shù)字輸出值，以及對應(yīng)于第二寄存器520中積分輸出電壓Int_vouta的數(shù)字輸出值?？苫谶x擇控制信號sel確定該選擇性存儲。模數(shù)轉(zhuǎn)換器516可被配置成接收啟用信號adc_en_rst。在一些示例性實(shí)施方案中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器516被配置成當(dāng)adc_en_rst呈現(xiàn)邏輯零值時重置，當(dāng)adc_en_rst轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬕恢禃r開始轉(zhuǎn)換操作。減法器522基于保留在第一寄存器518和第二寄存器520中的值之間的差值來生成輸出數(shù)據(jù)信號524。這樣，輸出數(shù)據(jù)信號514表示來自光電二極管陣列502的積分光電流，以及光電二極管陣列502與暗光電二極管陣列508之間的暗電流的差值。如果暗電流在量值上非常相似并且積分時間相同，則暗電流的差值將接近零，因此輸出數(shù)據(jù)信號514將表示來自光電二極管陣列502的積分光電流。

以與針對光電探測器系統(tǒng)200所述非常類似的方式，在非常低的光強(qiáng)度下，可經(jīng)由5位增益控制pd_gain＜4：0＞來選擇光電二極管陣列502和508中的所有4096光電二極管。這為光電流生成提供了最大的結(jié)面積，從而提供最高光敏性，但也會生成最高暗電流。為了改善信噪比(SNR)或光電流與暗電流之比，光電探測器系統(tǒng)500會測量并以機(jī)械方式消除不需要的暗電流分量，直至光電二極管陣列502和暗光電二極管陣列508、第一積分保持電路506以及第二積分保持電路512分別匹配。

圖6示出了集成電路芯片600上的示例性光阻擋特征結(jié)構(gòu)和光通過特征結(jié)構(gòu)。集成電路芯片600包括光通過區(qū)域602、光阻擋區(qū)域604、接合焊盤606、鈍化開孔608和光阻擋層開孔610。光通過區(qū)域602位于一個或多個光電二極管陣列(未示出)上方，例如在半導(dǎo)體工藝中實(shí)現(xiàn)的光電二極管陣列。在優(yōu)選的示例性實(shí)施方案中，光通過區(qū)域602使盡可能多的光到達(dá)光電二極管，從而使靈敏度最大化。這可通過除去一個或多個光電二極管陣列上方的多晶硅、金屬、氧化物、氮化物、聚酰亞胺和其他層來完成，這在用于加工或后處理的半導(dǎo)體工藝中是允許的。透光區(qū)域602也可接受其他特殊處理以優(yōu)化光檢測，例如減反射涂層、濾光片和/或擴(kuò)散片。光阻擋區(qū)域604可覆蓋芯片上不需要曝光的其他電路。光電流可能會使其他電路的性能劣化，例如在如此前所提及的結(jié)合到接觸鏡片中所需的超低電流電路中使偏置電壓和振蕩器頻率偏移。光阻擋區(qū)域604優(yōu)選地用不透明的薄材料形成，例如已經(jīng)在半導(dǎo)體晶片處理和后處理中使用的鋁、銅或鈦。如果用導(dǎo)電金屬實(shí)現(xiàn)，則形成光阻擋區(qū)域604的材料必須與下方的電路和接合焊盤606絕緣，以防止短路狀況。此類絕緣可由已經(jīng)作為正常晶片鈍化物的一部分存在于芯片上的鈍化物(例如氧化物、氮化物和/或聚酰亞胺)來提供，或者用在后處理期間所加入的其他電介質(zhì)來提供。遮蔽允許光阻擋層具有開孔610，以便導(dǎo)電的光阻擋金屬不與芯片上的接合焊盤重疊。光阻擋區(qū)域604被額外的電介質(zhì)或鈍化物覆蓋，以保護(hù)芯片并避免在芯片附接期間短路。該最終鈍化物具有鈍化物開孔608以允許連接至接合焊盤606。

圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的具有電子插件的示例性接觸鏡片，所述電子插件包括眨眼檢測系統(tǒng)。接觸鏡片700包括具有電子插件704的軟塑料部分702。插件704包括由電子器件激活的鏡片706，該鏡片例如，聚焦于近處或遠(yuǎn)處，取決于激活情況。集成電路708安裝至插件704上并連接至電池710、鏡片706以及系統(tǒng)必需的其他部件。集成電路708包括光電二極管陣列712和相關(guān)聯(lián)的光電探測器信號路徑電路。光電二極管陣列712穿過鏡片插件面朝外并遠(yuǎn)離眼睛，因而能夠接收環(huán)境光。光電二極管陣列712例如可以單個光電二極管或光電二極管陣列等方式在集成電路708上(如圖所示)實(shí)現(xiàn)。光電二極管陣列712也可作為安裝于插件704上的單獨(dú)裝置實(shí)現(xiàn)并與跡線714連接。當(dāng)眼瞼閉合時，包括光電探測器712的鏡片插件704被覆蓋，從而使入射于光電探測器712上的光水平減小。光電探測器712能夠測量環(huán)境光和/或紅外光。

本發(fā)明的光電探測器系統(tǒng)的額外考慮事項(xiàng)還允許減少光電探測器系統(tǒng)和其中可結(jié)合該系統(tǒng)的電力式或電子式眼科鏡片所需面積、體積或成本。

積分電容C_int可部分地由模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電容形成，諸如連續(xù)逼近性模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SAR ADC)的反饋DAC電容器陣列。請注意，如果兩個光電二極管陣列的積分時間段并非同時，這將在結(jié)合圖5所述的示例性實(shí)施方案的情況中適用。

在圖5的光電探測器系統(tǒng)，將單個模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于兩個數(shù)量的轉(zhuǎn)換。備選的實(shí)施方案可采用兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，但使用一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器可消除模數(shù)轉(zhuǎn)換器本身固有的任何偏移，而具有兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)將具有對應(yīng)于轉(zhuǎn)換器之間偏移中失配的殘余偏移。

優(yōu)選地，光電二極管陣列以CMOS技術(shù)實(shí)施，以提升積分能力并減小光電探測器系統(tǒng)以及信號處理和系統(tǒng)控制器電路的總體尺寸。優(yōu)選地，光電探測器系統(tǒng)、信號處理電路和系統(tǒng)控制器電路在單個硅芯片中集成在一起，從而減小電力式或電子式眼科鏡片中用于互連跡線的所需面積以及芯片上用于粘結(jié)或凸塊墊的所需面積。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)需要較低的動態(tài)范圍時，光電二極管陣列可包括更少的光電二極管。例如，在一些實(shí)施方案中，包括單個光電二極管的光電二極管陣列可能已足夠。光電二極管可包括單個光電二極管元件。然而，通過實(shí)施采用普通設(shè)計(jì)(尺寸、面積、漫射類型)的具有大量互連(例如平行)光電二極管元件的更大光電二極管可實(shí)現(xiàn)最佳增益縮放。

盡管所示出和描述的據(jù)信是最為實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施方案，但顯而易見的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對所描述和所示出的具體設(shè)計(jì)和方法作出變更，并且可在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下使用這些變更形式。本發(fā)明并不局限于所描述和所示出的具體構(gòu)造，而是應(yīng)當(dāng)理解為與落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的全部修改形式相符。