ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к электронным цепям для питания электронной офтальмологической линзы с изменяемыми оптическими свойствами или другого аналогичного устройства и, более конкретно, к коммутационным цепям типа Н-моста для привода линзы, выполненным с возможностью управления оптическими элементами в электронной офтальмологической линзе с изменяемыми оптическими свойствами.
2. Обсуждение предшествующего уровня техники
Поскольку электронные устройства продолжают уменьшаться в размерах, все более вероятным становится создание микроэлектронных устройств, пригодных для ношения или выполненных с возможностью встраивания, для различных областей применения. Такие области применения могут включать в себя контроль биохимических процессов в организме, введение управляемых доз лекарственных средств или терапевтических агентов посредством различных механизмов, включая автоматические, в ответ на измерения или в ответ на внешние сигналы управления и усиление функциональных процессов в органах или тканях. Примеры таких устройств включают в себя инфузионные помпы для введения глюкозы, кардиостимуляторы, дефибрилляторы, вспомогательные желудочковые устройства и нейростимуляторы. Новой особенно используемой областью применения являются пригодные для ношения офтальмологические линзы и контактные линзы. Например, в пригодную для ношения линзу может быть встроен узел линзы, имеющий фокус с возможностью электронного регулирования для увеличения или улучшения функции глаза. В другом примере в пригодную для ношения контактную линзу с фокусом с возможностью регулирования или без него могут быть встроены электронные датчики для обнаружения концентраций отдельных химических веществ в прекорнеальной (слезной) пленке. Применение встроенных электронных компонентов в узле линзы представляет потенциальную потребность для связи с электронными компонентами, для способа питания и/или повторной подачи питания в электронные компоненты, включая управление мощностью или схему управления питанием, для взаимного соединения электронных компонентов, для внутренних и внешних сенсорных и/или контрольных устройств, а также для управления электронными компонентами и результирующей функцией линзы.
Человеческий глаз способен различать миллионы цветов, легко приспосабливаться к изменению условий освещения и передавать сигналы или информацию в головной мозг со скоростью, превышающей высокоскоростную передачу данных через Интернет. В настоящее время линзы, такие как контактные линзы и интраокулярные линзы, используют для коррекции таких дефектов зрения, как миопия (близорукость), гиперметропия (дальнозоркость), пресбиопия и астигматизм. Тем не менее линзы правильной конфигурации со встроенными дополнительными компонентами могут использоваться как для улучшения зрения, так и для коррекции дефектов зрения.
Контактные линзы можно использовать для коррекции миопии, гиперметропии, астигматизма, а также других дефектов остроты зрения. Контактные линзы также можно использовать для улучшения природного внешнего вида глаз пользователя. Контактные линзы - это просто линзы, которые размещают на передней поверхности глаза. Контактные линзы относятся к медицинским устройствам и могут применяться для коррекции зрения и/или из косметических или иных терапевтических соображений. Контактные линзы используют для продажи с целью улучшения зрения с 1950-х годов. Первые контактные линзы изготавливались или производились из твердых материалов, были относительно дорогими и хрупкими. Кроме того, эти первые контактные линзы изготавливали из материалов, которые не обеспечивали достаточного проникновения кислорода через контактную линзу в конъюнктиву и роговицу, что могло потенциально повлечь за собой ряд неблагоприятных клинических эффектов. Хотя такие контактные линзы используют и в настоящее время, они подходят не всем пациентам из-за низкого уровня первоначального комфорта. Дальнейшие разработки в данной области привели к созданию мягких контактных линз на основе гидрогелей, которые сегодня чрезвычайно популярны и широко используются. В частности, силикон-гидрогелевые контактные линзы, доступные в настоящее время, сочетают преимущества силикона, отличающегося исключительно высокой кислородной проницаемостью, с признанным комфортом при ношении и клиническими показателями гидрогелей. Как правило, такие силикон-гидрогелевые контактные линзы обладают более высокой кислородной проницаемостью, и, по существу, их удобнее носить, чем контактные линзы, изготовленные из применявшихся в прошлом твердых материалов.
Стандартные контактные линзы являются полимерными структурами с установленными формами для коррекции различных проблем со зрением, которые были кратко упомянуты выше. Для достижения улучшенной функциональности в эти полимерные структуры встраивают различные цепи и компоненты. Например, управляющие схемы, микропроцессоры, устройства связи, блоки питания, датчики, исполнительные механизмы, светодиоды и миниатюрные антенны могут быть встроены в контактные линзы посредством изготовленных на заказ оптоэлектронных компонентов, предназначенных не только для коррекции зрения, но и для его улучшения и обеспечения дополнительной функциональности, как объясняется в настоящем документе. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения зрения посредством увеличения или уменьшения фокусного расстояния или простого изменения рефракционных свойств линз. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью усиления цвета и разрешающей способности, отображения информации о текстуре, преобразования речи в субтитры в режиме реального времени, передачи визуальных ориентиров от навигационной системы и обеспечения обработки изображений и доступа в Интернет. Линзы могут быть выполнены с возможностью позволять пользователю видеть в условиях низкой освещенности. Надлежащим образом выполненные электронные компоненты и/или расположение электронных компонентов на линзах могут позволить проецировать изображение на сетчатку, например, без оптической линзы с переменным фокусом, предоставить новые устройства отображения изображения или даже предоставить уведомления для пробуждения. Альтернативно или в дополнение к любым из этих функций или схожим функциям в контактные линзы могут быть встроены компоненты неинвазивного контроля биомаркеров и показателей здоровья пользователя. Например, встроенные в линзы датчики могут позволять пациенту, страдающему сахарным диабетом, принимать таблетки в соответствии с уровнем сахара в крови путем анализа компонентов слезной пленки без необходимости забора крови. Кроме того, в соответствующим образом сконфигурированную линзу могут быть встроены датчики для контроля уровней холестерина, натрия и калия, а также других биологических маркеров. Это, в сочетании с беспроводным передатчиком данных, может позволить врачу иметь практически немедленный доступ к результатам биохимического анализа крови пациента без необходимости для пациента тратить время на посещение лаборатории и проведение забора крови. Кроме того, датчики, встроенные в линзы, можно использовать для обнаружения света, падающего на глаз, для компенсации условий внешнего освещения или для применения при определении характера моргания.
Надлежащая комбинация устройств может обеспечить потенциально неограниченные функциональные возможности; однако существует ряд трудностей, связанных со встраиванием дополнительных компонентов на фрагмент полимера оптического качества. По существу, получение таких компонентов непосредственно на линзе, а также монтаж и взаимное соединение плоских устройств на неплоской поверхности являются затруднительными по ряду причин. Также затруднительно получить их в масштабе. Компоненты, предназначенные для размещения на линзе или в ней, необходимо уменьшить в размере и встроить в прозрачный полимер размером всего 1,5 квадратного сантиметра, обеспечивая при этом защиту компонентов от жидкой среды глаза. Также затруднительно изготовление контактной линзы с увеличенной толщиной дополнительных компонентов, которая была бы комфортна и безопасна для пользователя.
Учитывая ограничения по площади и объему офтальмологического устройства, такого как контактная линза, и среду, в которой оно должно использоваться, для его физической реализации необходимо преодолеть ряд проблем, включая установку и взаимное соединение нескольких электронных компонентов на неплоской поверхности, большая часть которой содержит оптический пластик. Таким образом, существует потребность в обеспечении электронной контактной линзы, которая будет иметь надежную конфигурацию с точки зрения механики и электрики.
Поскольку эти линзы подключены к электропитанию, существует проблема с потреблением 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 запасов тока в холостом режиме, точного управления напряжением и возможностей переключения для обеспечения работы в потенциально широком диапазоне рабочих параметров, а также при пиковом потреблении, например до 18 (восемнадцати) часов на одном заряде 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 роговицы 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 в ограниченном диапазоне. Такие существующие системы ограничены лишь покрытием небольшого диапазона аддидации, возможно, только +1 диоптрии, что требует ношения очковых линз, хирургического вмешательства для имплантации ИОЛ и имеет 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. Приемлемых линз и исполнительных устройств для офтальмологических устройств, таких как контактные линзы и ИОЛ, не существует.
Как правило, электрическим 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, аналогичное 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 (DC), такого как батарея. Умножитель напряжения может содержать зарядовый насос. Этот тип цепи хорошо известен в области электроники.
Приводы линз, имеющиеся в продаже в настоящее время, обладают множеством недостатков, которые делают их непригодными для использования в офтальмологических устройствах, таких как контактные линзы и ИОЛ. Потребляемый типичными приводами линз ток составляет порядка от около 1 (одного) до более чем 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 в 30 (тридцать) микроампер или менее. Для офтальмологического устройства критическими параметрами являются как потребление тока в активном режиме, то есть тока, потребляемого приводом линзы при активации линзы с электропитанием, так и потребление тока в режиме ожидания, то есть тока, потребляемого, когда привод устройства не управляет линзой с электропитанием.
Стандартные линзы с электронной регулировкой и их приводы 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. Что касается жидкостных менисковых линз, даже если такая линза заряжается за 100 миллисекунд, изменение фокуса у самой линзы занимает от 1 до 2 секунд; однако применение жидкокристаллических оптических элементов позволяет достичь времени активации линзы в 100 миллисекунд, и время реакции такого оптического элемента будет меньше. Стандартные системы линзы и системы привода, 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, модулируя таким образом оптическую силу линзы с электропитанием.
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 (AC). Такой привод переменного тока быстро переключает полярность приложенного к линзе напряжения с положительного на отрицательное и обратно с частотой в 1 кГц (один килогерц). Для оптических элементов других типов могут потребоваться более низкие частоты, например от 25 до 50 Гц. Этот способ создания привода обеспечивает преимущества в существующих коммерческих сферах применения, но также значительно повышает потребление тока относительно альтернативного способа реализации привода постоянного тока (DC). Жидкостную менисковую линзу можно смоделировать как конденсатор, поэтому требуемая для зарядки такого конденсатора энергия составляет 1/2 x C x V2, 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, включающий управляющую схему высоковольтного H-моста для подачи питания на электронную офтальмологическую линзу настоящего изобретения, содержащую оптический элемент с переменным фокусом, лишен недостатков, характерных для устройств предшествующего уровня техники, кратко описанных выше.
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение относится к офтальмологическому аппарату. Офтальмологический аппарат, содержащий офтальмологическую линзу, выполненную с возможностью применения в, по меньшей мере, одном из режимов - в глазу или на глазу; оптический элемент, встроенный в офтальмологическую линзу, причем оптический элемент выполнен с возможностью, по меньшей мере, одного из коррекции зрения и улучшения зрения и имеет одну или более из электронной системы управления фокусным расстоянием, электронной системы управления передачей света и электронной системы управления поляризацией; и
электронную систему, встроенную в офтальмологическую линзу, причем электронная система включает в себя: источник питания; схему H-моста, выполненную с возможностью управления напряжением, подаваемым на оптический элемент, чтобы изменять полярность напряжения, подаваемого на оптический элемент, и закорачивать оптический элемент, причем схема Н-моста включает в себя первый и второй нижние ключи, реализованные в виде n-канальных полевых МОП-транзисторов, а также первый и второй верхние p-канальные полевые МОП-транзисторы; управляющую схему H-моста, которая применяется для управления первым и вторым верхними p-канальными полевыми МОП-транзисторами с использованием ячеек для сдвига уровня и выполнена с возможностью перехода в высокоимпедансное состояние, таким образом предотвращая нагрузку на источник питания, причем ячейки для сдвига уровня содержат буферы, схему подключения конденсатора и ячейку накачки заряда, причем уровень заряда конденсаторов переключается между низким напряжением и высоким напряжением и заряд передается в ячейку накачки заряда, при этом ячейка накачки заряда подает напряжение активации для первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов и схема активного запираемого ключа содержит управляющие ключи, выполненные с возможностью деактивации первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов при необходимости путем активации дополнительной схемы для сдвига уровня, чтобы активировать управляющие ключи, и переключающей схемы с перекрестными связями между выходами двух ячеек для сдвига уровня, таким образом обеспечивая условие, при котором в каждый момент времени активируется только один из первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов; и системный контроллер, выполненный с возможностью подачи управляющих и синхронизирующих сигналов для электронной системы, причем источник питания подает напряжение на истоки первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов и на управляющую схему H-моста.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к офтальмологическому аппарату. Офтальмологический аппарат, содержащий офтальмологическую линзу, выполненную с возможностью применения в, по меньшей мере, одном из режимов - в глазу или на глазу; оптический элемент, встроенный в офтальмологическую линзу, причем оптический элемент выполнен с возможностью, по меньшей мере, одного из коррекции зрения и улучшения зрения и имеет одну или более из электронной системы управления фокусным расстоянием, электронной системы управления передачей света и электронной системы управления поляризацией; и
электронную систему, встроенную в офтальмологическую линзу, причем электронная система включает в себя: источник питания; схему H-моста, выполненную с возможностью управления напряжением, подаваемым на оптический элемент, чтобы изменять полярность напряжения, подаваемого на оптический элемент, и закорачивать оптический элемент, причем схема Н-моста включает в себя первый и второй нижние ключи, реализованные в виде n-канальных полевых МОП-транзисторов, а также первый и второй верхние p-канальные полевые МОП-транзисторы; управляющую схему H-моста, которая применяется для управления первым и вторым верхними p-канальными полевыми МОП-транзисторами с использованием ячеек для сдвига уровня и выполнена с возможностью перехода в высокоимпедансное состояние, таким образом предотвращая нагрузку на источник питания, причем ячейки для сдвига уровня содержат буферы, схему подключения конденсатора и ячейку накачки заряда, причем уровень заряда конденсаторов переключается между низким напряжением и высоким напряжением и заряд передается в ячейку накачки заряда, при этом ячейка накачки заряда подает напряжение активации для первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов и схема активного запираемого ключа содержит управляющие ключи, выполненные с возможностью деактивации первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов при необходимости путем активации переключающей схемы с перекрестными связями между выходами двух ячеек для сдвига уровня, таким образом обеспечивая условие, при котором в каждый момент времени активируется только один из первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов; и системный контроллер, выполненный с возможностью подачи управляющих и синхронизирующих сигналов для электронной системы, причем источник питания подает напряжение на затворы первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов и на управляющую схему H-моста.
В соответствии с еще одним аспектом настоящее изобретение относится к офтальмологическому аппарату. Офтальмологический аппарат, содержащий офтальмологическую линзу, выполненную с возможностью применения в, по меньшей мере, одном из режимов - в глазу или на глазу; оптический элемент, встроенный в офтальмологическую линзу, причем оптический элемент выполнен с возможностью, по меньшей мере, одного из коррекции зрения и улучшения зрения и имеет одну или более из электронной системы управления фокусным расстоянием, электронной системы управления передачей света и электронной системы управления поляризацией; и электронную систему, встроенную в офтальмологическую линзу, причем электронная система включает в себя: источник питания; коммутационную цепь, выполненную с возможностью управления напряжением, подаваемым на оптический элемент, и закорачивания оптического элемента, причем коммутационная цепь включает в себя нижний ключ, реализованный в виде n-канального полевого МОП-транзистора, и верхний p-канальный полевой МОП-транзистор; коммутационную управляющую схему, которая применяется для управления верхним p-канальным полевым МОП-транзистором с использованием ячейки для сдвига уровня и выполнена с возможностью перехода в высокоимпедансное состояние, таким образом предотвращая нагрузку на источник питания, причем ячейка для сдвига уровня содержит буфер, схему подключения конденсатора и ячейку накачки заряда, причем уровень заряда конденсаторов переключается между низким напряжением и высоким напряжением и заряд передается в ячейку накачки заряда, при этом ячейка накачки заряда подает напряжение активации для верхнего p-канального полевого МОП-транзистора и схема активного запираемого ключа содержит управляющий ключ, выполненный с возможностью деактивации верхнего p-канального полевого МОП-транзистора при необходимости путем активации дополнительной схемы для сдвига уровня, чтобы активировать управляющий ключ; и системный контроллер, выполненный с возможностью подачи управляющих и синхронизирующих сигналов для электронной системы, причем источник питания подает напряжение на истоки верхнего p-канального полевого МОП-транзистора и на управляющую схему H-моста.
В соответствии с еще одним аспектом настоящее изобретение относится к электронной системе. Электронная система содержит источник питания; схему H-моста, выполненную с возможностью управления напряжением, подаваемым на оптический элемент, чтобы изменять полярность напряжения, подаваемого на оптический элемент, и закорачивать оптический элемент, причем схема Н-моста включает в себя первый и второй нижние ключи, реализованные в виде n-канальных полевых МОП-транзисторов, а также первый и второй верхние p-канальные полевые МОП-транзисторы; управляющую схему H-моста, которая применяется для управления первым и вторым верхними p-канальными полевыми МОП-транзисторами с использованием ячеек для сдвига уровня и выполнена с возможностью перехода в высокоимпедансное состояние, таким образом предотвращая нагрузку на источник питания, причем ячейки для сдвига уровня содержат буферы, схему подключения конденсатора и ячейку накачки заряда, причем уровень заряда конденсаторов переключается между низким напряжением и высоким напряжением и заряд передается в ячейку накачки заряда, при этом ячейка накачки заряда подает напряжение активации для первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов и схема активного запираемого ключа содержит управляющие ключи, выполненные с возможностью деактивации первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов при необходимости путем активации дополнительной схемы для сдвига уровня, чтобы активировать управляющие ключи, и переключающей схемы с перекрестными связями между выходами двух ячеек для сдвига уровня, таким образом обеспечивая условие, при котором в каждый момент времени активируется только один из первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов; и системный контроллер, выполненный с возможностью подачи управляющих и синхронизирующих сигналов для электронной системы, причем источник питания подает напряжение на истоки первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов и на управляющую схему H-моста.
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 в себя одну или более батарей или других источников питания, схему управления питанием, один или более датчиков, схему тактового генератора, управляющую схему, выполняющую приемлемые управляющие алгоритмы, и схему привода линзы.
Исполнительный механизм линзы или схема привода линзы генерирует подходящее напряжение смещения для активации оптического элемента с переменным фокусом. Он активируется системным контроллером, системой управления или управляющей схемой, принимает ток от схемы управления питанием и принимает тактовый сигнал от схемы тактового генератора. Исполнительный механизм линзы или схема привода линзы содержит один или более источников питания, один или более генераторов напряжения смещения и одну или более коммутационных цепей. 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, которое требует высокого напряжения 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 офтальмологическое устройство выполняет ту же функцию, а именно электронное управление фокусным расстоянием оптического элемента линзы с переменным фокусом. В еще одном примере осуществления оптический элемент с переменным фокусом может содержать жидкокристаллическое устройство, требующее токового смещения. В настоящем изобретении такое токовое смещение не используется, хотя, возможно, оно может иметь определенные области применения и преимущества.
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, удаление системы с обратной связью 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, таким образом 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. Важно отметить, что могут использоваться и внешние компоненты. Размер снижен различными способами. Соединения между компонентами добавляют на этапе последующей обработки полупроводниковой пластины, они специально разработаны для офтальмологической сферы применения. Толщина кристалла снижается, возможно, до размера от 30 (тридцати) до 100 (ста) микрон.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеизложенные и прочие элементы и преимущества настоящего изобретения станут понятны после следующего, более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, показанных на прилагаемых чертежах.
На Фиг. 1 представлена блок-схема примера системы линз с переменным фокусом в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 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 Фиг. 3 схематически представлен пример схемы H-моста, изображенной на Фиг. 2.
На Фиг. 4 схематически представлен первый пример схемы H-моста/контроллера H-моста в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 5 схематически представлены верхний ключ и схема для сдвига уровня первого примера схемы H-моста/контроллера H-моста, изображенных на Фиг. 4.
На Фиг. 6 схематически представлена схема запираемого ключа первого примера схемы H-моста/контроллера H-моста, изображенных на Фиг. 4.
На Фиг. 7 схематически представлен второй пример схемы H-моста/контроллера H-моста в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 8 схематически представлены верхний ключ и схема для сдвига уровня второго примера схемы H-моста/контроллера H-моста, изображенных на Фиг. 7.
На Фиг. 9 схематически представлена схема запираемого ключа второго примера схемы H-моста/контроллера H-моста, изображенных на Фиг. 4.
На Фиг. 10 схематически представлен пример электронной вставки, включающей в себя привод линзы, для контактной линзы с электропитанием в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Стандартные контактные линзы являются полимерными структурами с установленными формами для коррекции различных проблем со зрением, которые были кратко упомянуты выше. Для достижения улучшенной функциональности в эти полимерные структуры встраивают различные цепи и компоненты. Например, управляющие схемы, микропроцессоры, устройства связи, блоки питания, датчики, исполнительные механизмы, светодиоды 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 дополнительной функциональной возможности, как описано в настоящем документе. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения зрения посредством увеличения или уменьшения фокусного расстояния или простого изменения рефракционных свойств линз. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью усиления цвета и разрешающей способности, отображения информации о текстуре, преобразования речи в субтитры в режиме реального времени, передачи визуальных ориентиров от навигационной системы, обеспечения обработки изображений и доступа в Интернет. Линзы могут быть выполнены с возможностью позволять пользователю видеть в условиях низкой освещенности. Надлежащим образом выполненные электронные компоненты и/или расположение электронных компонентов на линзах могут позволить проецировать изображение на сетчатку, например, без оптической линзы с переменным фокусом, предоставить новые устройства отображения изображения или даже предоставить уведомления для пробуждения. Альтернативно или в дополнение к любым из этих функций или схожим функциям в контактные линзы могут быть встроены компоненты неинвазивного контроля биомаркеров и показателей здоровья пользователя. Например, встроенные в линзы датчики могут позволять пациенту, страдающему сахарным диабетом, принимать таблетки в соответствии с уровнем сахара в крови путем анализа компонентов слезной пленки без необходимости забора крови. Кроме того, в соответствующим образом сконфигурированную линзу могут быть встроены датчики для контроля уровней холестерина, натрия и калия, а также других биологических маркеров. В сочетании с беспроводным передатчиком данных это может предоставить врачу практически немедленный доступ к результатам биохимического анализа крови пациента без необходимости траты времени на посещение пациентом лаборатории и проведение забора крови. Кроме того, датчики, встроенные в линзы, можно использовать для обнаружения света, падающего на глаз, для компенсации условий внешнего освещения или для применения при определении характера моргания.
Настоящее изобретение относится к офтальмологической линзе с электропитанием или контактной линзе с электропитанием, содержащей электронную систему, которая активирует линзу с переменным фокусом или любое другое устройство или устройства, выполненные с возможностью реализации любого количества возможных функций. Электронная система включает в себя одну или более батарей или других источников питания, схему управления питанием, один или более датчиков, схему тактового генератора, управляющую схему, выполняющую приемлемые управляющие алгоритмы, и схему привода линзы. Сложность данных компонентов может варьироваться в зависимости от необходимых или желательных функциональных возможностей линзы.
Схема привода линзы генерирует подходящее напряжение смещения для активации линзы с переменным фокусом. Он активируется системным контроллером или управляющей схемой, 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 коммутационных цепей. 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 неограниченные функциональные возможности; однако существует ряд сложностей, связанных с встраиванием дополнительных компонентов в фрагмент полимера оптического качества, который образует контактную линзу. По существу, получение таких компонентов непосредственно на линзе, а также монтаж и взаимное соединение плоских устройств на неплоской поверхности являются затруднительными по ряду причин. Также представляет трудности производство компонентов в масштабе и необходимой формы. Компоненты, предназначенные для размещения на линзе или в ней, необходимо уменьшить в размере и встроить в прозрачный полимер размером всего 1,5 квадратного сантиметра или, более конкретно, 17 (семнадцать) квадратных миллиметров, обеспечивая при этом защиту компонентов от жидкой среды глаза. Также затруднительно изготовление контактной линзы с увеличенной толщиной, необходимой для размещения дополнительных компонентов, которая была бы комфортна для пользователя.
В дополнение к указанным выше требованиям к размерам компонентов, встраиваемые в контактную линзу электронные устройства должны быть надежны и безопасны при применении 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, 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.
Важно отметить, что существует много альтернативных примеров вариантов осуществления оптических элементов с переменным фокусом. Например, оптический элемент с переменным фокусом может быть реализован с использованием технологии жидких кристаллов, технологии электроактивных полимеров, технологии варьируемой текучей среды и технологии жидкостного мениска. В приведенном ниже подробном описании оптический элемент с переменным фокусом содержит жидкостную менисковую линзу. Как сказано выше, можно использовать альтернативные варианты оптических элементов с переменным фокусом, включая жидкокристаллический оптический элемент; при этом важно, что такая схема описывается применительно к настоящему изобретению, а именно: H-мост и контроллер H-моста могут использоваться с любым из этих оптических элементов с переменным фокусом. 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. Проводящая жидкость также находится в контакте с изолирующим окном и изолирующей жидкостью. На внешней стороне этого окна расположен прозрачный электрод. Приложение напряжения между электродом и проводящей жидкостью улучшает смачиваемость поверхности этой жидкостью, таким образом деформируя поверхность контакта и изменяя форму капли изолирующей жидкости, таким образом 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, которое требует высокого напряжения для изменения фокуса. Высокое напряжение может потребоваться, например, для деформации системы жидкостного мениска до требуемых значений краевого угла смачивания и коэффициента преломления с учетом электросмачивающих свойств изолирующей и проводящей жидкостей и свойств изолирующего окна. 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 такой линзы 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 офтальмологическое устройство выполняет ту же функцию, а именно электронное управление фокусным расстоянием линзы. В еще одном примере осуществления линза 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, между двумя выводами создается емкость, обусловленная относительной диэлектрической проницаемостью и толщиной диэлектрика, а также площадью физиологического раствора, перекрывающего электрод. 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 зарядовым насосом, создающего требуемое для активации электросмачиваемой линзы высокое напряжение, увеличение одного или более из тактовой частоты и емкости конденсатора позволяет зарядовому насосу увеличить подачу тока. 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.
Как говорилось выше, важно отметить, что может использоваться любой подходящий оптический элемент с изменяемыми свойствами. В приведенных выше примерах описан жидкостный менисковый оптический элемент, однако предпочтительным может быть жидкокристаллический оптический элемент. В дополнение к предлагаемой электронной системе управления фокусным расстоянием жидкокристаллический оптический элемент также может предложить электронную систему управления передачей света и поляризацией. В таких случаях вместо модуляции коэффициента преломления жидкого кристалла или модуляции фокусного расстояния оптического элемента иным образом процент передачи света и/или состояние поляризации модулируются напряжением, подаваемым на жидкокристаллическую линзу. Управляющая схема H-моста в соответствии с настоящим изобретением может применяться с любым количеством оптических элементов и, таким образом, приведенное ниже описание относится к самой схеме, а не к оптическому элементу.
На Фиг. 1 представлен пример осуществления системы электронной офтальмологической линзы с переменным фокусом, содержащей источник 100 питания, схему 102 управления питанием, системный контроллер 104, контроллер 106 H-моста, источник 108 питания линзы, H-мост 110 и линзу 112 с переменным фокусом. Линза 112 с переменным фокусом 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 100 питания может представлять собой батарею, конденсатор или аналогичное устройство, обеспечивающее сохраненный заряд при приемлемом рабочем напряжении. В некоторых примерах осуществления источник 100 питания может представлять собой элемент индуктивной связи с внешним источником питания. Схема 102 управления питанием 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 подает управляющие сигналы на источник 108 питания линзы и контроллер 106 H-моста на основе внутреннего алгоритма или в ответ на внешнее управляющее воздействие со стороны пользователя (интерфейс не показан). Источник 108 питания линзы принимает электрический ток при низком рабочем напряжении от источника 100 питания и генерирует высокое выходное напряжение, равное активирующему напряжению для линзы 112 с переменным фокусом или превышающее его, то есть достаточное для изменения состояния линзы 112 с переменным фокусом. Источник 108 питания линзы может дополнительно содержать осциллятор или принимать тактовый сигнал от системного контроллера 104. В настоящем примере осуществления выход источника 108 питания линзы связан с линзой 112 с переменным фокусом через переключающую схему H-моста 110, хорошо известную в данной области техники. H-мост 110 содержит ключи между выходом источника 108 питания линзы и каждым из выводов линзы 112 с переменным фокусом, а также между каждым из выводов линзы 112 с переменным фокусом и проводом заземления системы. Состояние H-моста 110 определяется одним или более управляющими сигналами системного контроллера 104, поступающими на контроллер 106 H-моста. Контроллер 106 H-моста является интерфейсом между H-мостом 110 и системным контроллером 104. По существу контроллер 106 H-моста 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 106 H-моста может также включать в себя 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 H-моста 110 от нежелательных состояний, таких как сквозное состояние - известное специалистам состояние типа короткого замыкания. H-мост 110 может быть выполнен с возможностью перевода в одно или более состояний, таких как состояние с разомкнутыми выводами линзы, замкнутыми на провод заземления или состояние с подключением одного вывода к выходу источника 108 питания линзы и другого вывода к проводу заземления, или состояние с подключенным электропитанием противоположной полярности. H-мост 110 обеспечивает удобный способ подачи питания на линзу 112 с переменным фокусом для активации, разряда линзы 112 с переменным фокусом для возврата к исходной оптической силе и переключения полярности напряжения смещения, прилагаемого к линзе 112 с переменным фокусом. Подключение обоих выводов оптического элемента с переменным фокусом к проводу заземления системы позволяет быстро снять заряд с линзы 112, таким образом позволяя линзе 112 с переменным фокусом 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 H-моста 110 для оптимизации характеристик линзы 112 с переменным фокусом, например, во избежание накопления избыточного заряда, которое может происходить при слишком долгом нахождении линзы в одном состоянии подачи электропитания. Важно отметить, что функциональные блоки показаны и описаны 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 Фиг. 2 представлен пример схемы H-моста 200, связанной с офтальмологическим устройством с электропитанием, которое имеет линзу 250 с переменным фокусом. Схема H-моста 200 в особенности полезна при управлении потенциалом напряжения, приложенным к линзе 250 с переменным фокусом, и может использоваться для переключения напряжения на линзу 250 с переменным фокусом, изменения на обратную полярность напряжения, приложенного к линзе 250 с переменным фокусом, и заземления линзы 250 с переменным фокусом. Пример H-моста 200 содержит ключи 202, 204, 206 и 208 полевого транзистора структуры металл-оксид-полупроводник (полевой МОП-транзистор), которыми управляет контроллер 106 H-моста и системный контроллер 104. Системный контроллер 104 можно заменить на машину состояний или иное устройство, способное управлять схемой привода линзы. Контроллер 106 H-моста является интерфейсом между системным контроллером 104 и H-мостом, например, преобразуя напряжение от логического уровня 1,8 В до напряжения управления затвором, требуемого для получения выходного сигнала 25 В. Важно отметить, что уровень сигнала низковольтной логической схемы может составлять лишь приблизительно 0,9 вольт, 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 202, 204, 206 и 208 полевых МОП-транзисторов, образующих H-мост. Иными словами, низковольтные выходные напряжения стандартного системного контроллера недостаточны для закрытия ключей 202 и 204 верхнего уровня. Контроллер 106 H-моста обеспечивает необходимый уровень и контролирует перемещение сигнала для управления этими ключами верхнего уровня. Также необходима оптимизация потребления тока посредством обеспечения условия, когда два расположенных с одной стороны ключа (202 и 208 или 204 и 206) не закрыты одновременно. Линза 250 с переменным фокусом подключается к выходам H-моста. Входы H-моста подключаются к источнику 108 питания линзы и проводу заземления. Источник 106 питания линзы может представлять собой умножитель напряжения, зарядовый насос или другую схему. В зависимости от требований H-моста 110 и используемой для их реализации технологии управления H-мостом могут потребоваться дополнительные схемы (не показаны). Например, в зависимости от уровня выходного напряжения источника питания линзы и напряжений смещения в системе могут потребоваться дополнительные ключи.
В стандартном рабочем режиме одна сторона линзы 250 с переменным фокусом соединена с проводом заземления, а другая сторона соединена с источником 108 питания линзы. 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 линзы 250 с переменным фокусом соединена с источником 108 питания линзы, а правая сторона линзы 250 с переменным фокусом соединена с проводом заземления. Это представляет одно из возможных состояний, в котором линза 250 с переменным фокусом может быть заряжена и, следовательно, активирована. Альтернативным является пример, в котором линза с переменным фокусом заряжается в противоположной полярности, замыкая ключи 204 и 208 при открытых ключах 202 и 206. Для деактивации линзы 250 с переменным фокусом ключи 202 и 204 размыкаются, а ключи 208 и 206 замыкаются. Это позволяет снять любую разность потенциалов между контактами линзы 250 с переменным фокусом, что приводит к ее деактивации. Другое потенциально используемое состояние может быть достигнуто путем подачи потенциала на контакты линзы 250 с переменным фокусом, обеспечивая накопление заряда на линзе 250 с переменным фокусом, и последующего отсоединения линзы 250 с переменным фокусом, позволяя ей оставаться 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 источник 108 питания линзы на время нахождения линзы 250 с переменным фокусом в полностью отключенном состоянии. Тщательная разработка емкости и сопротивления линзы 250 с переменным фокусом и сведение к минимуму утечек в электронной системе может позволить линзе 250 с переменным фокусом хранить заряд в течение многих секунд, таким образом значительно снижая коэффициент заполнения источника 108 питания линзы и, следовательно, среднее потребление тока.
Чтобы лучше проиллюстрировать настоящее изобретение, на Фиг. 3 схематически представлена упрощенная схема Н-моста 200, изображенная на Фиг. 2. Для активации линзы с переменным фокусом (не показана) требуется источник 108 питания линзы. Источник 108 питания линзы может быть реализован любым количеством способов, например, с помощью зарядового насоса, как описано выше. Для линзы с переменным фокусом также требуется набор ключей, схема Н-моста, чтобы подавать на линзу напряжение VH с источника 108 питания линзы в прямой, или положительной, полярности и обратной, или отрицательной, полярности, а также возможность закорачивать выводы линзы с переменным фокусом. Переключение между прямой и обратной полярностью осуществляется с использованием стандартной схемы H-моста, содержащей четыре ключа, реализованных в виде полевых МОП-транзисторов, причем два из этих ключей представляют собой n-канальные МОП-ключи 208 и 206, которые привязаны к наименьшему потенциалу (GND - земля) и два - p-канальные МОП-ключи 202 и 204, которые привязаны к наибольшему потенциалу, VH (высокое напряжение), от источника 108 питания линзы. Нагрузка, например линза с переменным фокусом, подсоединена к выводам O1 и O2. На оба набора ключей требуется подавать управляющее напряжение, VC, чтобы разомкнуть или замкнуть конкретный ключ и чтобы задать для него открытое или закрытое состояние, т. е. чтобы разомкнуть конкретный ключ, VC должно быть равно 0. Напряжение управляющей схемы, VC, отбирается от напряжения на источнике логического питания, VL, (не показан). Чтобы замкнуть n-канальные МОП-ключи 208 и 206, на IN1 или IN2 следует подать VC выше потенциала базового заземления, и чтобы замкнуть p-канальные МОП-ключи 202 и 204, на IP1 или IP2 следует подать VC ниже опорного напряжения VH.
Чтобы получить прямую полярность на линзе с переменным фокусом, когда на O1 подается потенциал VH, а на O2 - потенциал GND, IP1 следует настроить на потенциал VH минус VC. При этом замкнется p-канальный МОП-ключ 202 и на вывод O1 будет подано VH. Для IN2 задан потенциал VC плюс GND, который активирует n-канальный МОП-ключ 206 и соединяет вывод O2 с потенциалом GND, причем для IP2 задан потенциал VH, который размыкает p-канальный МОП-ключ 204, и для IN1 задан потенциал GND, который размыкает n-канальный МОП-ключ 208. Чтобы получить обратную полярность на линзе с переменным фокусом, когда на O1 подается потенциал GND и на O2 - потенциал VH, для IP1 следует задать потенциал VH, который размыкает p-канальный МОП-ключ 202, и для IN2 - потенциал GND, который размыкает n-канальный МОП-ключ 206. Для IP2 задан потенциал VH минус VC, который замыкает p-канальный МОП-ключ 204 и соединяет вывод O2 с потенциалом VH, и для IN1 задан потенциал VC плюс GND, который замыкает n-канальный МОП-ключ 208 и соединяет вывод O1 с GND.
По существу для схемы Н-моста этого типа нет никаких проблем с подачей напряжения VC на n-канальные МОП-ключи 208 и 206, поскольку напряжение VC немного превышает потенциал заземления и укладывается в диапазон напряжений типичных цифровых управляющих сигналов. Однако подача напряжения VC на p-канальные МОП-ключи 202 и 204 осуществляется сложнее, поскольку это не только типичные цифровые управляющие сигналы, но и высокое напряжение, поэтому его подача требует нового подхода и в то же время должна соответствовать дополнительным требованиям офтальмологических сфер применения, как описано в настоящем документе. Одним из возможных решений является применение сдвигов уровня, реализованных в виде резисторных делителей и/или емкостных делителей. Другое решение заключается в применении сдвигов уровня с перекрестными связями. Однако из-за того, что офтальмологические сферы применения, такие как описанные в настоящем документе, чувствительны к току питания и площади кристалла, требования к приемлемому сдвигу уровня включают в себя нулевой или низкий ток нагрузки в стационарном состоянии на VH в состоянии высокого или низкого уровня, решение проблем перехода из состояния низкого уровня в состояние отсутствия эффекта защелкивания или неизвестное состояние, отсутствие дополнительных шин или уровней напряжения, безопасные условия эксплуатации для всех компонентов, низкую сложность и достаточное время переключения, что является важным, но не критичным фактором. В настоящее время в применяемых способах осуществления функция сдвига уровня обеспечивается, но ни одна из известных в настоящее время конструкций не удовлетворяет всем требованиям, описанным в настоящем документе.
Пример схемы H-моста настоящего изобретения удовлетворяет всем описанным выше требованиям, а именно: схема, способная вырабатывать соответствующее напряжение VC для управления p-канальными МОП-ключами, и схема, которая может разъединить один или оба p-канальных МОП-ключа, обеспечивая при этом отсутствие стационарной токовой нагрузки, низкую вероятность перехода в неизвестное состояние и низкую сложность. Примерная схема для управления p-канальными МОП-ключами представляет собой ячейку для сдвига уровня, которая создает на своих выводах напряжение около VL или логическое напряжение питания, такое как напряжение VC, а в случае привязки к VH она создает напряжение VH минус VC в качестве напряжений затвоp-исток, vgs_MP1 и vgs_MP2, чтобы замкнуть p-канальные МОП-ключи. Кроме того, полное размыкание ключей является обязательным, поэтому применяется дополнительная схема для приведения обоих напряжений vgs_MP1 и vgs_MP2 к нулю (короткое замыкание), при этом противоположный ключ принудительно размыкается, поскольку напряжение затвоp-исток для этого ключа становится равным нулю вольт. Примерная схема H-моста дополнительно содержит дополнительную ячейку для сдвига уровня для принудительного размыкания обоих ключей. Более полное и подробное описание приведено ниже.
На Фиг. 4 схематически представлен первый пример осуществления схемы 400 H-моста/контроллера H-моста в соответствии с настоящим изобретением. Также на Фиг. 4 показаны системный контроллер 104 и источник 108 питания линзы. Схема 400 H-моста/контроллера H-моста содержит два верхних ключа и схемы 402 и 404 для сдвига уровня, нижние n-канальные МОП-ключи 206 и 208 и схему 406 запираемого ключа. Каждый верхний ключ и схемы 402 и 404 для сдвига уровня содержат p-канальные МОП-ключи 202 и 204 и ячейки 408 и 410 для сдвига уровня, соответственно. Ниже подробно описан каждый из перечисленных выше компонентов.
На Фиг. 5 схематически представлены верхний ключ и схема 404 для сдвига уровня, которая идентична по конструкции и принципу работы верхнему ключу и схеме 402 для сдвига уровня. Для простоты объяснения здесь приводится описание только схемы 404. Верхний ключ и схема 404 для сдвига уровня содержат буферы, схему подключения конденсатора и ячейку 500 накачки заряда, подробно описанные ниже. Буферы 508 и 510 обеспечивают изоляцию от системного контроллера 104 и создают надлежащий управляющий сигнал, необходимый для конденсаторов. Конденсаторы сдвигают уровень сигналов между VL и VH и переносят заряд в ячейку накачки заряда. Активный ток протекает только через эти конденсаторы, но поскольку зарядовый насос добавляет заряд или является в некоторой степени нейтральным, нагрузка, вызванная сдвигом уровня, выступает в качестве источника, как противоположность нагрузке, или в качестве очень высокой импедансной нагрузки. Эта функция или функциональная возможность обеспечивает соответствие важному требованию к этому верхнему ключу и схеме 404 для сдвига уровня, а именно: она обладает высоким импедансом и не нагружает источник 108 питания линзы. Кроме того, не требуются никакие другие источники питания, при запуске не возникает эффект защелкивания или проблемы, связанные с изменением нагрузки, и общая конфигурация достаточно проста.
Важно отметить, что может применяться любое количество ячеек накачки заряда в соответствии с настоящим изобретением. В примере осуществления, представленном на Фиг. 5, ячейка для сдвига уровня содержит ячейку 500 накачки заряда с перекрестной связью, в которой имеются два конденсатора 502 и 504 сдвига уровня, управляющих ячейкой 500, по одному на каждый фронт тактового сигнала, как подробно описано ниже. Эта ячейка накачки заряда с перекрестной связью сама по себе не уникальна, и могут использоваться другие конфигурации. Результатом этого является перенос заряда от источника питания VL на конденсатор 506 с созданием таким образом напряжения VC, привязанного к VH, поскольку одна сторона конденсатора 506 привязана к VH. Теперь напряжение VC смещено по уровню, и p-канальным МОП-ключом 204 можно управлять эффективно и в пределах технических характеристик транзистора.
Буфер 508 привода принимает входной сигнал от системного контроллера 104 и создает на P1 выходной прямоугольный импульс, переключающий уровни между VL и GND по абсолютной величине. Буфер 510 привода принимает входной сигнал от системного контроллера 104 и создает на P2 выходной прямоугольный импульс, который идентичен импульсу на P1, но смещен на 180 градусов по фазе относительно P1. При сдвиге уровня на P1 с низкого на высокий заряд с конденсатора 502 передается на VH посредством активного транзистора 512, увеличивая таким образом заряд на VH. Одновременно с этим осуществляется сдвиг уровня на Р2 с высокого на низкий, в результате чего конденсатор 504 «вытягивает» ток с конденсатора 506 посредством активного теперь транзистора 514, таким образом увеличивая заряд на конденсаторе 506 и увеличивая напряжение между его выводами. В ходе обратного цикла, когда уровень на Р2 смещается с низкого до высокого, заряд с конденсатора 504 передается на конденсатор 506 посредством активного транзистора 516, таким образом увеличивая заряд на VH (заряд схемы остается нейтральным). Одновременно с этим осуществляется сдвиг уровня на Р1 с высокого на низкий, в результате чего конденсатор 502 «вытягивает» ток с конденсатора 506 через активный теперь транзистор 518, снова увеличивая заряд на конденсаторе 506.
Этот процесс непрерывно увеличивает напряжение на выводах конденсатора 506, которое за несколько циклов достигает требуемого напряжения VC или vgs_MP2. Поскольку, с одной стороны, на узел VH добавляется заряд и, с другой стороны, одновременно с этим конденсатор 506 заряжается за счет разрядки конденсатора связи, чистое изменение заряда на VH составляет около нуля, обусловливая очень низкий стационарный ток, таким образом схема сдвига уровня выглядит как имеющая очень высокий импеданс по отношению к источнику питания VH.
Диоды 519 и 520 Шоттки используются для подавления нежелательных эффектов паразитного pnp-устройства, образованного стоком (p), базой (n) и подложкой (p) в p-канальных МОП-устройствах 512 и 516. Во время первоначальной зарядки сток может находиться под более высоким потенциалом, чем база, активируя тем самым это паразитное pnp-устройство, которое значительно повышает нагрузку схемы, образуя шунтирующую цепь на землю (подложку). Диоды 519 и 520 образуют цепь, шунтирующую переход сток-база паразитного pnp-устройства, и поскольку прямое напряжение ниже, это предотвращает активацию паразитного pnp-устройства.
На Фиг. 6 схематически представлена схема 406 запираемого ключа. Схема 406 запираемого ключа содержит ячейку 600 для сдвига уровня и цепь деактивации. Активация ключа с зарядовым насосом ячейки для сдвига уровня осуществляется непосредственным образом, однако зарядовый насос не прекращает работу сразу после отключения активирующего сигнала. Соответственно, требуется другая цепь, цепь деактивации, чтобы деактивировать p-канальный МОП-участок ключа Н-моста. Также на Фиг. 6 представлены источник 108 питания линзы, два p-канальных МОП-ключа 202 и 204, а также ячейки 408 и 410 для сдвига уровня.
Как показано на Фиг. 6, цепь деактивации состоит из двух частей. Одна цепь деактивации содержит транзисторы 602 и 604, причем эта цепь деактивирует сторону, которая не активирована, но не может деактивировать обе стороны одновременно. Например, если ячейка 408 для сдвига уровня активирована, что обусловливает активацию p-канального МОП-ключа 202, а ячейка 410 для сдвига уровня деактивирована, напряжения vgs_MP1 достаточно для активации также транзистора 604 и снижения напряжения vgs_MP2 до нуля, что полностью деактивирует p-канальный МОП-ключ 204. И наоборот, если ячейка 410 для сдвига уровня активирована, что обусловливает активацию p-канального МОП-ключа 204, а ячейка 408 для сдвига уровня деактивирована, напряжения vgs_MP2 достаточно для активации также транзистора 602 и снижения напряжения vgs_MP1 до нуля, что полностью деактивирует p-канальный МОП-ключ 202.
Поскольку эта схема работает только если одна сторона активна, необходима другая схема для отключения обеих сторон одновременно. Эта схема содержит p-канальные полевые МОП-транзисторы 606 и 608 и ячейку 600 для сдвига уровня. В результате подачи дифференциального импульсного сигнала на INF (такого же, как использовался на Фиг. 5 для активации главного ключа, т. е. два прямоугольных импульса, смещенных по фазе на 180 градусов) ячейка 600 для сдвига уровня создает на выводах цепи напряжение, обусловливая таким образом активацию обоих транзисторов 606 и 608, которые в свою очередь деактивируют оба p-канальных МОП-ключа 202 и 204, сокращая длительность сигналов vgs_MP1 и vgs_MP2.
На Фиг. 7 схематически представлен второй пример осуществления схемы 700 H-моста/контроллера H-моста в соответствии с настоящим изобретением. Также на Фиг. 7 представлен системный контроллер 104 и источник 108 питания линзы, который подключен способом, отличным от способа первого примера осуществления. Ячейки 408 и 410 для сдвига уровня являются такими же, как те, которые описаны выше со ссылкой на Фиг. 4-6, но подключены иным способом, поэтому принцип их работы отличается. Более конкретно, с источника 108 питания линзы VH подается на оба затвора p-канальных МОП-ключей 202 и 204, а ячейки 408 и 410 для сдвига уровня создают напряжения vgs_MP1 и vgs_MP2 путем повышения напряжений истоков соответствующих p-канальных МОП-ключей 202 и 204. Это отличается от первого примера осуществления тем, что в первом примере осуществления на истоке поддерживается напряжение на уровне VH, а напряжения затвора снижаются с использованием ячеек 408 и 410 для сдвига уровня. Этот второй пример осуществления включает схему 702 запираемого ключа, который менее сложен, чем в первом примере осуществления, и для его запирания не требуется дополнительная ячейка для сдвига уровня. Недостатком по сравнению с первым примером осуществления является то, что подаваемый на нагрузку заряд ограничивается величиной, обеспечиваемой отдельными ячейками 408 и 410 для сдвига уровня в управляющей схеме Н-моста, а не накопительным конденсатором 506 (см. Фиг. 5), соединенным с VH. Подробное описание схемы 702 запираемого ключа приведено ниже со ссылкой на Фиг. 8.
На Фиг. 8 схематически представлена верхняя половина второго примера осуществления управляющей схемы 700 H-моста/контроллера H-моста, изображенной на Фиг. 7. Основным преимуществом этой конфигурации является эффект самозапирания, который возникает, когда, например, ячейка 408 для сдвига уровня деактивирована, но не полностью разряжена, т. е. vgs_MP2 не равно нулю. Любая нагрузка на O2 обусловливает подачу электрического тока через сток p-канального МОП-ключа 204 от его истока. Поскольку питание с ячейки 410 для сдвига уровня больше не подается на исток p-канального МОП-ключа 204, за исключением остаточного напряжения vgs_MP2, напряжение на истоке снижается к уровню затвора и стока. Напряжение vgs_MP2 снижается до нуля вольт, что приводит к запиранию p-канального МОП-ключа 204. Сторона p-канального МОП-ключа 202 работает аналогичным образом, т. е. любые нагрузки на О1, которые «вытягивают» ток из этого узла, приведут к изменению уровня истока p-канального МОП-ключа 202 в направлении уровня его затвора и стока и снижению напряжения vgs_MP1 до нулевого напряжения и, следовательно, к его запиранию. Кроме того, имеется схема 800 n-канального МОП-ключа с перекрестными связями, содержащая n-канальные полевые МОП-транзисторы 802 и 804, способствующие деактивации противоположной ячейки для сдвига уровня. Если ячейка 408 для сдвига уровня выключена, но vgs_MP1 уменьшено до нулевого напряжения не полностью, активация ячейки 410 для сдвига уровня создаст достаточное напряжение, VC, между затвором и истоком n-канального полевого МОП-транзистора 802, чтобы активировать n-канальный полевой МОП-транзистор 804 и, следовательно, ячейку 408 для сдвига уровня и привести vgs_MP1 к нулевому напряжению и полностью закрыть его. Схема также работает и в обратном направлении. Если напряжение vgs_MP2 не равно нулю вольт и ячейка 408 для сдвига уровня активирована, создается vgs_MP1, достаточное, чтобы активировать n-канальный полевой МОП-транзистор 804, закоротить vgs_MP2 и полностью закрыть p-канальный МОП-ключ 204.
Ячейка для сдвига уровня содержит буферы, конденсаторы и зарядовый насос. Буферы задействуют конденсаторы, которые смещают уровень между уровнями напряжений VL и VH и подают заряд в зарядовый насос, который в свою очередь создает напряжение VC для активации соответствующего ключа. Единственный активный ток протекает через эти конденсаторы, где в каждом тактовом цикле заряд в зарядовом насосе, подключенном к шине VH, увеличивается и уменьшается таким образом, что чистое изменение в стационарном состоянии составляет около нуля, что выглядит как высокий импеданс по отношению к источнику питания VH. Малый или нулевой потребляемый ток от источника питания VH является важным требованием к данной схеме. Кроме того, не требуются никакие другие источники питания, при запуске не возникают эффект защелкивания или проблемы, связанные с изменением нагрузки, а сама схема достаточно проста.
В соответствии с настоящим изобретением могут использоваться различные типы ячеек накачки заряда, однако в примере применяется ячейка накачки заряда с перекрестной связью, в которой имеются два конденсатора, активирующие ячейку, при этом ячейка создает напряжение VC на выводах p-канального МОП-ключа 202 или p-канального МОП-ключа 204, как показано на Фиг. 9, в качестве верхнего ключа и зарядового насоса 404, показанных для управления p-канальным МОП-ключом 204, но в равной степени применимых для управления p-канальным МОП-ключом 202. Управляющее напряжение, VC, приблизительно равно VL, таким образом обеспечивая безопасное и эффективное напряжение VC для управления ключами.
Как показано на Фиг. 9, буферы 902 и 904 привода создают прямоугольный выходной сигнал на P1, изменяющийся по величине между VL и GND, и выходной сигнал P2, смещенный на 180 градусов по фазе относительно P1. При сдвиге уровня на P1 с низкого на высокий заряд с конденсатора 906 передается на конденсатор 908 посредством активного p-канального полевого МОП-транзистора 910, увеличивая таким образом заряд на конденсаторе 908. p-канальный полевой МОП-транзистор 910 активируется, поскольку конденсатор 912 разряжается и смещает уровень затвора p-канального полевого МОП-транзистора 910 на низкий уровень. Одновременно P2 переходит с высокого уровня на низкий, в результате чего конденсатор 912 начинает «вытягивать» заряд с VH через активный теперь n-канальный полевой МОП-транзистор 914. n-канальный полевой МОП-транзистор 914 активирован, поскольку конденсатор 906 увеличил напряжение затвора n-канального полевого МОП-транзистора 914. Когда P1 переходит с высокого уровня на низкий, заряд с конденсатора 906 отбирается с VH через активный n-канальный полевой МОП-транзистор 916. Р2 снова одновременно переходит с низкого уровня на высокий, в результате чего конденсатор 912 заряжает конденсатор 908 через активный p-канальный полевой МОП-транзистор 918, предназначенный для зарядки конденсатора 908.
В результате этого процесса заряд на конденсаторе 908 за несколько циклов увеличивается до требуемого напряжения vgs_MP2. Поскольку зарядовый насос активирует исток, он увеличивает выходное напряжение примерно на величину VL относительно напряжения VH. Он также обеспечивает заряд, который передается на нагрузку O2 по мере необходимости. Дополнительно, когда P1 переходит с низкого уровня на высокий, конденсатор 906 заряжает конденсатор 908 через активный p-канальный полевой МОП-транзистор 910, и одновременно P2 переходит с высокого уровня на низкий, отбирая заряд от VH, в результате чистый заряд на схеме высокого напряжения становится равным нулю или близким к нулю, таким образом выполняется требование наличия нулевой или низкой нагрузки на схеме VH.
В ходе обратного цикла, когда уровень на Р2 переходит с низкого до высокого, заряд с конденсатора 912 передается на конденсатор 908 посредством активного p-канального полевого МОП-транзистора 918, тем самым обеспечивая заряд для создания vgs_MP2. Одновременно P1 переходит с высокого уровня на низкий, в результате чего конденсатор 906 начинает «вытягивать» заряд с VH через активный теперь n-канальный полевой МОП-транзистор 916. И снова добавленный заряд и заряд, отобранный от узла высокого напряжения VH, примерно равны, что выглядит как высокий импеданс.
Диоды 919 и 920 Шоттки используются для подавления нежелательных эффектов паразитного pnp-устройства, образованного стоком (p), базой (n) и подложкой (p) в p-канальных МОП-устройствах 901 и 908. Во время первоначальной зарядки сток может находиться под более высоким потенциалом, чем база, активируя тем самым это паразитное pnp-устройство, которое значительно повышает нагрузку схемы, образуя шунтирующую цепь на землю (подложку). Диоды 519 и 520 образуют цепь, шунтирующую переход сток-база паразитного pnp-устройства, и поскольку прямое напряжение ниже, это предотвращает активацию паразитного pnp-устройства.
На Фиг. 10 представлен пример контактной линзы с электронной вставкой, содержащей привод линзы в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения. Пример контактной линзы 1000 содержит мягкий пластиковый участок 1002, который содержит электронную вставку 1004. Эта электронная вставка 1004 включает в себя линзу 1006, которая активируется или управляется описанными в настоящем документе электронными компонентами, например, посредством фокусирования на близко расположенный или дальний объект в зависимости от активации. Схему 1008 устанавливают на вставку 1004 и соединяют с источником 1010 питания, таким как батареи, посредством одной или более электрических соединительных дорожек 1012. Дополнительная схема также может быть соединена посредством электрических соединительных дорожек 1012. Схема 1008 может включать в себя 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, половину H-моста с только одним набором p- и n-канальных МОП-ключей, простой ключ для одного вывода при заземлении второго вывода, 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 из примеров осуществления электронные компоненты и электрические взаимные соединения выполнены в периферийной зоне контактной линзы, а не в оптической зоне. В соответствии с альтернативным примером осуществления важно отметить, что расположение электронных компонентов не должно ограничиваться периферической зоной контактной линзы. Все электронные компоненты, описанные в настоящем документе, могут быть изготовлены с применением технологии тонких пленок и/или из прозрачных материалов. Прозрачные материалы могут применяться по мере появления технологий. С применением данных технологий электронные компоненты могут быть расположены в любом приемлемом месте до тех пор, пока они совместимы с оптическими элементами.
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 приемлемую подложку, включая медные дорожки на гибкой полиимидной подложке с никель-золотым покрытием поверхности.
Несмотря на то, что показанные и описанные варианты осуществления считаются наиболее практичными и предпочтительными, ясно, что специалистам в данной области техники представляются возможности отступления от показанных и описанных конкретных промышленных образцов и способов, которые можно применять, не выходя за рамки сущности и объема настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничивается конкретными конструкциями, описанными и проиллюстрированными в настоящем документе, но все образцы изобретения должны быть сконструированы так, чтобы согласовываться со всеми модификациями в пределах объема, определенного прилагаемой формулой изобретения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ПРИВОД ЛИНЗЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ С ИЗМЕРЯЕМЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ | 2013 |
|
RU2577461C2 |
| СИСТЕМНЫЙ КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ С ПЕРЕМЕННЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ | 2013 |
|
RU2605796C2 |
| СХЕМА АКТИВАЦИИ ДЛЯ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ С ЭЛЕКТРОПИТАНИЕМ | 2015 |
|
RU2637611C2 |
| ЭЛЕКТРОННЫЕ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНЗЫ С ЗАДНИМ ДАТЧИКОМ ДИАМЕТРА ЗРАЧКА | 2013 |
|
RU2570287C2 |
| УЗЕЛ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ СО ВСТРОЕННОЙ КОНСТРУКЦИЕЙ АНТЕННЫ | 2013 |
|
RU2621483C2 |
| ЭЛЕКТРОННАЯ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНЗА С ДАТЧИКОМ ПОЛОЖЕНИЯ ВЕКА | 2013 |
|
RU2569696C2 |
| ЭЛЕКТРОННЫЕ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНЗЫ С МНОГОКАНАЛЬНОЙ СХЕМОЙ ГОЛОСОВАНИЯ | 2013 |
|
RU2567178C2 |
| ЭЛЕКТРОННЫЕ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНЗЫ С ПАРОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ-ДЕТЕКТОР | 2013 |
|
RU2567401C2 |
| ПОМЕХОЗАЩИЩЕННАЯ ФОТОДЕТЕКТОРНАЯ СИСТЕМА | 2016 |
|
RU2670690C9 |
| ЭЛЕКТРОННАЯ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНЗА С ДАТЧИКОМ КОНВЕРГЕНЦИИ ЗРАЧКОВ | 2013 |
|
RU2586238C2 |
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к приводу линзы или схеме привода линзы для офтальмологического аппарата, содержащей электронную систему, активирующую оптический элемент с переменным фокусом. Привод линзы является частью электронной системы, встроенной в офтальмологический аппарат. Электронная система включает в себя одну или более батарей или других источников питания, схему управления питанием, один или более датчиков, схему генерирования тактовых сигналов, алгоритмы и схему управления, а также схему привода линзы. Схема привода линзы включает в себя один или более источников питания, один или более генераторов высокого напряжения и одну или более коммутационных цепей. Более конкретно, привод линзы содержит H-мост/контроллер H-моста для обеспечения надлежащего напряжения, в том числе полярности, для приведения в действие электронной схемы, включенной в офтальмологический аппарат.4 н. и 28 з.п. ф-лы, 10 ил.
1. Офтальмологический аппарат, содержащий:
офтальмологическую линзу, выполненную с возможностью применения в, по меньшей мере, одном из режимов - в глазу или на глазу;
оптический элемент, встроенный в офтальмологическую линзу, причем оптический элемент выполнен с возможностью, по меньшей мере, одного из коррекции зрения и улучшения зрения и имеет одну или более из электронной системы управления фокусным расстоянием, электронной системы управления передачей света и электронной системы управления поляризацией; и
электронную систему, встроенную в офтальмологическую линзу, причем электронная система включает в себя:
источник питания;
схему H-моста, выполненную с возможностью управления напряжением, подаваемым на оптический элемент, чтобы изменять полярность напряжения, подаваемого на оптический элемент, и закорачивать оптический элемент, причем схема Н-моста включает в себя первый и второй нижние ключи, реализованные в виде n-канальных полевых МОП-транзисторов, а также первый и второй верхние p-канальные полевые МОП-транзисторы;
управляющую схему H-моста, которая применяется для управления первым и вторым верхними p-канальными полевыми МОП-транзисторами с использованием ячеек для сдвига уровня и выполнена с возможностью перехода в высокоимпедансное состояние, таким образом предотвращая нагрузку на источник питания, причем ячейки для сдвига уровня содержат буферы, схему подключения конденсатора и ячейку накачки заряда, причем уровень заряда конденсаторов переключается между низким напряжением и высоким напряжением, и заряд передается в ячейку накачки заряда, при этом ячейка накачки заряда подает напряжение активации для первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов, и схема активного запираемого ключа содержит управляющие ключи, выполненные с возможностью деактивации первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов при необходимости путем активации дополнительной схемы для сдвига уровня, чтобы активировать управляющие ключи, и переключающей схемы с перекрестными связями между выходами двух ячеек для сдвига уровня, таким образом обеспечивая условие, при котором в каждый момент времени активируется только один из первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов; и
системный контроллер, выполненный с возможностью подачи управляющих и синхронизирующих сигналов для электронной системы, причем источник питания подает напряжение на истоки первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов и на управляющую схему H-моста.
2. Офтальмологический аппарат по п. 1, в котором офтальмологическая линза является контактной линзой.
3. Офтальмологический аппарат по п. 2, в котором контактная линза представляет собой мягкую контактную линзу.
4. Офтальмологический аппарат по п. 2, в котором контактная линза представляет собой гибридную мягкую/твердую контактную линзу.
5. Офтальмологический аппарат по п. 1, в котором офтальмологическая линза является интраокулярной линзой.
6. Офтальмологический аппарат по п. 1, в котором оптический элемент работает в, по меньшей мере, двух фокусных расстояниях.
7. Офтальмологический аппарат по п. 1, в котором электронная система реализована в виде интегральной схемы.
8. Офтальмологический аппарат по п. 1, в котором оптический элемент содержит жидкостную менисковую линзу.
9. Офтальмологический аппарат по п. 1, в котором оптический элемент содержит жидкокристаллическую линзу.
10. Офтальмологический аппарат по п. 1, в котором источник питания представляет собой батарею.
11. Офтальмологический аппарат по п. 7, в котором интегральная схема встроена в печатную плату.
12. Офтальмологический аппарат по п. 11, в котором печатная плата выполнена в виде кругового кольца.
13. Офтальмологический аппарат по п. 12, в котором круговое кольцо сформировано с коническим сечением для встраивания в контактную линзу.
14. Офтальмологический аппарат по п. 12, в котором круговое кольцо сформировано с коническим сечением для встраивания в интраокулярную линзу.
15. Офтальмологический аппарат по п. 1, в котором оптический элемент работает в, по меньшей мере, двух состояниях передачи света.
16. Офтальмологический аппарат по п. 1, в котором оптический элемент работает в, по меньшей мере, двух состояниях поляризации света.
17. Офтальмологический аппарат, содержащий:
офтальмологическую линзу, выполненную с возможностью применения в, по меньшей мере, одном из режимов - в глазу или на глазу;
оптический элемент, встроенный в офтальмологическую линзу, причем оптический элемент выполнен с возможностью, по меньшей мере, одного из коррекции зрения и улучшения зрения и имеет одну или более из электронной системы управления фокусным расстоянием, электронной системы управления передачей света и электронной системы управления поляризацией; и
электронную систему, встроенную в офтальмологическую линзу, причем электронная система включает в себя:
источник питания;
схему H-моста, выполненную с возможностью управления напряжением, подаваемым на оптический элемент, чтобы изменять полярность напряжения, подаваемого на оптический элемент, и закорачивать оптический элемент, причем схема Н-моста включает в себя первый и второй нижние ключи, реализованные в виде n-канальных полевых МОП-транзисторов, а также первый и второй верхние p-канальные полевые МОП-транзисторы;
управляющую схему H-моста, которая применяется для управления первым и вторым верхними p-канальными полевыми МОП-транзисторами с использованием ячеек для сдвига уровня и выполнена с возможностью перехода в высокоимпедансное состояние, таким образом предотвращая нагрузку на источник питания, причем ячейки для сдвига уровня содержат буферы, схему подключения конденсатора и ячейку накачки заряда, причем уровень заряда конденсаторов переключается между низким напряжением и высоким напряжением, и заряд передается в ячейку накачки заряда, при этом ячейка накачки заряда подает напряжение активации для первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов, и схема активного запираемого ключа содержит управляющие ключи, выполненные с возможностью деактивации первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов при необходимости путем активации переключающей схемы с перекрестными связями между выходами двух ячеек для сдвига уровня, таким образом обеспечивая условие, при котором в каждый момент времени активируется только один из первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов; и
системный контроллер, выполненный с возможностью подачи управляющих и синхронизирующих сигналов для электронной системы, причем источник питания подает напряжение на затворы первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов и на управляющую схему H-моста.
18. Офтальмологический аппарат по п. 17, в котором офтальмологическая линза является контактной линзой.
19. Офтальмологический аппарат по п. 18, в котором контактная линза представляет собой мягкую контактную линзу.
20. Офтальмологический аппарат по п. 18, в котором контактная линза представляет собой гибридную мягкую/твердую контактную линзу.
21. Офтальмологический аппарат по п. 17, в котором офтальмологическая линза является интраокулярной линзой.
22. Офтальмологический аппарат по п. 17, в котором оптический элемент работает в, по меньшей мере, двух фокусных расстояниях.
23. Офтальмологический аппарат по п. 17, в котором электронная система реализована в виде интегральной схемы.
24. Офтальмологический аппарат по п. 17, в котором оптический элемент содержит жидкостную менисковую линзу.
25. Офтальмологический аппарат по п. 17, в котором оптический элемент содержит жидкокристаллическую линзу.
26. Офтальмологический аппарат по п. 17, в котором источник питания представляет собой батарею.
27. Офтальмологический аппарат по п. 23, в котором интегральная схема встроена в печатную плату.
28. Офтальмологический аппарат по п. 27, в котором печатная плата выполнена в виде кругового кольца.
29. Офтальмологический аппарат по п. 28, в котором круговое кольцо сформировано с коническим сечением для встраивания в контактную линзу.
30. Офтальмологический аппарат по п. 28, в котором круговое кольцо сформировано с коническим сечением для встраивания в интраокулярную линзу.
31. Офтальмологический аппарат, содержащий:
офтальмологическую линзу, выполненную с возможностью применения в, по меньшей мере, одном из режимов - в глазу или на глазу;
оптический элемент, встроенный в офтальмологическую линзу, причем оптический элемент выполнен с возможностью, по меньшей мере, одного из коррекции зрения и улучшения зрения и имеет одну или более из электронной системы управления фокусным расстоянием, электронной системы управления передачей света и электронной системы управления поляризацией; и
электронную систему, встроенную в офтальмологическую линзу, причем электронная система включает в себя:
источник питания;
коммутационную цепь, выполненную с возможностью управления напряжением, подаваемым на оптический элемент, и закорачивания оптического элемента, причем коммутационная цепь включает в себя нижний ключ, реализованный в виде n-канального полевого МОП-транзистора, и верхний p-канальный полевой МОП-транзистор;
коммутационную управляющую схему, которая применяется для управления верхним p-канальным полевым МОП-транзистором с использованием ячейки для сдвига уровня и выполнена с возможностью перехода в высокоимпедансное состояние, таким образом предотвращая нагрузку на источник питания, причем ячейка для сдвига уровня содержит буфер, схему подключения конденсатора и ячейку накачки заряда, причем уровень заряда конденсаторов переключается между низким напряжением и высоким напряжением и заряд передается в ячейку накачки заряда, при этом ячейка накачки заряда подает напряжение активации для верхнего p-канального полевого МОП-транзистора и схема активного запираемого ключа содержит управляющий ключ, выполненный с возможностью деактивации верхнего p-канального полевого МОП-транзистора при необходимости путем активации дополнительной схемы для сдвига уровня, чтобы активировать управляющий ключ; и
системный контроллер, выполненный с возможностью подачи управляющих и синхронизирующих сигналов для электронной системы, причем источник питания подает напряжение на истоки верхнего p-канального полевого МОП-транзистора и на управляющую схему H-моста.
32. Электронная система для офтальмологического аппарата, содержащая:
источник питания;
схему H-моста, выполненную с возможностью управления напряжением, подаваемым на оптический элемент, чтобы изменять полярность напряжения, подаваемого на оптический элемент, и закорачивать оптический элемент, причем схема Н-моста включает в себя первый и второй нижние ключи, реализованные в виде n-канальных полевых МОП-транзисторов, а также первый и второй верхние p-канальные полевые МОП-транзисторы;
управляющую схему H-моста, которая применяется для управления первым и вторым верхними p-канальными полевыми МОП-транзисторами с использованием ячеек для сдвига уровня и выполнена с возможностью перехода в высокоимпедансное состояние, таким образом предотвращая нагрузку на источник питания, причем ячейки для сдвига уровня содержат буферы, схему подключения конденсатора и ячейку накачки заряда, причем уровень заряда конденсаторов переключается между низким напряжением и высоким напряжением, и заряд передается в ячейку накачки заряда, при этом ячейка накачки заряда подает напряжение активации для первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов, и схема активного запираемого ключа содержит управляющие ключи, выполненные с возможностью деактивации первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов при необходимости путем активации дополнительной схемы для сдвига уровня, чтобы активировать управляющие ключи, и переключающей схемы с перекрестными связями между выходами двух ячеек для сдвига уровня, таким образом обеспечивая условие, при котором в каждый момент времени активируется только один из первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов; и
системный контроллер, выполненный с возможностью подачи управляющих и синхронизирующих сигналов для электронной системы, причем источник питания подает напряжение на истоки первого и второго верхних p-канальных полевых МОП-транзисторов и на управляющую схему H-моста.
| US 20130258275 A1, 03.10.2013 | |||
| US 20040095119 A1, 20.05.2004 | |||
| WO 2014176695 A1, 06.11.2014 | |||
| УСТРОЙСТВО И СПОСОБ АКТИВАЦИИ КОМПОНЕНТОВ ЗАПИТЫВАЕМОЙ ЭНЕРГИЕЙ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ | 2009 |
|
RU2501536C2 |
