抗锯齿光电探测器系统 |
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| 申请号 | CN201610791526.5 | 申请日 | 2016-08-31 | 公开(公告)号 | CN106501964A | 公开(公告)日 | 2017-03-15 |
| 申请人 | 庄臣及庄臣视力保护公司; | 发明人 | R.K.施维科; S.P.霍格加斯; C.K.巴洛斯; S.R.汉弗莱斯; A.W.托纳; R.B.普格; | ||||
| 摘要 | 本 发明 题为 抗锯齿 光电探测器系统。本发明公开了一种用于诸如 接触 镜片等电 力 式眼科装置的抗锯齿光电探测器系统，该抗锯齿光电探测器系统可用于任何数目的功能。所述抗锯齿光电探测器系统将来自光电探测器阵列的 电流 转换为用于所述电力式眼科装置的其他方面中的 电压 。所述抗锯齿光电探测器系统包括具有多个单独的光电 二极管 的 光电二极管 阵列、用于将电流转换为电压的包括电容器和 开关 的积分保持 电路 ，以及 模数转换 器 。所述抗锯齿光电探测器系统具有低功率消耗、宽动态范围、噪声抑制特性，并且能够检测入射环境可见光和入射红外光。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电力式眼科装置，包括： |
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| 说明书全文 | 抗锯齿光电探测器系统背景技术[0001] 1.技术领域 [0002] 本发明涉及电力式或电子式眼科镜片或其他类似的装置，更具体地讲，涉及抗锯齿光电探测器电路，该抗锯齿光电探测器电路包括具有至少一个电容和开关的积分器，该积分器将电流转换为电压，以供充分阻隔/抑制噪声的低功率和/或高动态范围应用使用。 [0003] 2.相关领域的讨论 [0004] 随着电子装置持续小型化，变得越来越有可能产生用于多种用途的可佩戴或可嵌入的微电子装置。此类用途可包括监视身体化学性质的各方面，经由多种机械装置(包括自动地)施用受控剂量的药物或治疗剂以响应于测量或响应于外部控制信号，以及增强器官或组织的性能。此类装置的示例包括葡萄糖输液泵、起搏器、去纤颤器、心室辅助装置和神经刺激器。一个新的尤其有用的应用领域是在眼科可佩戴镜片和接触镜片中。例如，可佩戴镜片可结合具有电子可调节焦距的镜片组件，以增强或提高眼睛的性能。在另一个示例中，无论是否具有可调节焦距，可佩戴的接触镜片均可结合电子传感器，以检测角膜前(泪)膜中特定化学物质的浓度。在镜片组件中使用嵌入式电子器件引起对与电子器件通信、通电和/或重新激活电子器件的方法、将电子器件互连、内部和外部感测和/或监视、以及电子器件和镜片总体功能的控制的潜在需求。 [0005] 人眼具有辨别上百万种颜色、易于调节以改变光状况的能力、以及以超过高速互联网连接的速率将信号或信息传输到大脑的能力。当前，镜片诸如接触镜片和眼内镜片被用来矫正视力缺陷，诸如近视(近视眼)、远视(远视眼)、老花眼和散光。然而，结合附加部件的适当地设计的镜片可用来提高视力以及矫正视力缺陷。 [0006] 接触镜片可用于矫正近视、远视、散光以及其他视敏度缺陷。接触镜片也可用于增强佩戴者的眼睛的自然外观。接触镜片或“触体”仅仅是放置在眼睛的前表面上的镜片。接触镜片被视为医疗装置并且可被佩戴用于矫正视力以及/或者用于美容或其他治疗原因。自20世纪50年代起，商业上就已利用接触镜片来改善视力。早期的接触镜片由硬性材料制成或加工成形，相对较为昂贵并且脆弱。此外，这些早期的接触镜片由不允许足够的氧气通过接触镜片传输到结膜和角膜的材料制成，这可潜在地引起许多不良临床效应。尽管仍使用这些接触镜片，但它们因其不良初始舒适度而并不适用于所有患者。该领域的后续发展产生了基于水凝胶的软性接触镜片，这种镜片在当今极其流行且被广泛应用。具体地讲，当今可用的有机硅水凝胶接触镜片将具有极高透氧度的有机硅的有益效果与水凝胶的经证实的舒适度和临床性能结合在一起。事实上，与由早期硬性材料制成的接触镜片相比，这些基于有机硅水凝胶的接触镜片具有更高的透氧度并且通常具有更高的佩戴舒适度。 [0007] 如上所简述，常规的接触镜片为具有特定形状的聚合物结构以矫正各种视力问题。为了实现增强的功能，必须将各种电路和部件集成到这些聚合物结构中。例如，控制电路、微处理器、通信装置、电源、传感器、致动器、发光二极管和微型天线可经由定制内置的光电部件集成到接触镜片中，不仅矫正视力，而且提高视力，以及提供如本文所解释的附加功能。电子式和/或电力式接触镜片可被设计成经由放大和缩小能力或者仅只是通过改变镜片的屈光度来提高视力。电子式和/或电力式接触镜片可被设计成增强颜色和分辨率、显示纹理信息、将语音实时转变为字幕、提供导航系统的视觉提示，以及提供图像处理和互联网接入。镜片可被设计成允许佩戴者在低光照状况下视物。在镜片上适当设计的电子器件和/或电子器件布置可允许例如在没有可变焦光学镜片的情况下将图像投射到视网膜上，提供新型图像显示器，并且甚至提供唤醒警示。作为另一种选择或者除了这些功能或类似功能中任一种之外，接触镜片可结合用于非入侵地监视佩戴者的生物标记物的部件和健康指示器。例如，通过分析泪膜的组分，内置于镜片中的传感器可使得糖尿病患者可以监测血糖水平，而不需要抽血。此外，经适当地配置的镜片可结合用于监视胆固醇、钠和钾水平以及其他生物标记物的传感器。如果结合无线数据发送器，这使得医师几乎可以立即得到患者的血液化学性质，而不需要患者浪费时间去实验室抽血。此外，可利用内置于镜片中的传感器来检测入射于眼睛上的光，以补偿环境光照状况或者用于确定眨眼模式。 [0008] 装置的适当组合可产生可能无限的功能；然而，存在与将额外部件结合到光学级聚合物件上相关联的多种困难。通常，由于多种原因难以在镜片上直接制造此类部件，并且难以将平面装置安装和互连在非平面表面上。还难以按比例制造。待放置在镜片上或镜片中的部件需要小型化且集成到仅1.5平方厘米的透明聚合物上，同时保护这些部件不受眼上液体环境的影响。由于附加部件增加了厚度，还难以制造出对于佩戴者而言舒适且安全的接触镜片。 [0009] 考虑到眼科装置诸如接触镜片的面积和体积限制以及其使用环境，装置的物理实现必须克服多个问题，包括将多个电子部件安装和互连在非平面表面上，这些电子部件的大多数包含光学塑料。因此，需要提供机械稳固和电稳固的电子式接触镜片。 [0010] 由于这些是电力式镜片，因而考虑到在眼科镜片尺度上的电池技术，用于驱动电子器件的能量或更具体地电流消耗是一个关切的问题。除了正常电流消耗之外，此类电力式装置或系统通常需要待机电流储备、确保在可能的各种操作参数下操作的精确电压控制和转换能力、以及应对可能保持多年闲置后的突发消耗(例如，单次充电至多十八(18)小时)。因此，需要这样的系统，所述系统在具有所需低功率消耗的同时，对于低成本、长期可靠服务、安全性和尺寸是最优化的。 [0011] 此外，由于与电力式镜片相关的功能复杂度以及包括电力式镜片的所有部件之间的高相互作用水平，需要协调和控制包括电力式眼科镜片的电子器件和光学器件的总体操作。因此，需要一种用于控制所有其他部件操作的系统，所述系统安全、低成本且可靠，具有较低的功率消耗速率并且尺寸可缩小成能结合到眼科镜片中。 [0012] 电力式或电子式眼科镜片可采用环境或红外光传感器来检测环境光照度条件、佩戴者眨眼和/或来自其他装置的可见或红外通信信号。眨眼检测或基于光线的通信可用作控制电力式眼科镜片一个或多个方面的方法。人眼能够在从约1勒到超过100,000勒的光线水平的较大动态范围内工作。因此，适用于电力式眼科镜片的光传感器必须能够在环境光线水平的很广的动态范围内工作。此外，在使用中遇到的照明环境可包括在入射光能量方面造成噪声和干涉的光源。例如，当在美国60Hz的电力系统中工作时，荧光办公室照明具有两倍于线频率的显著脉动，具有平均光线水平约30％的幅值，以120Hz的速率变化。 [0013] 环境光传感器或光电探测器被用于许多系统和产品中，例如用于电视中以根据房间光照来调节亮度，用于灯中以在黄昏时开启，以及用于电话中以调节屏幕亮度。传统光电探测器系统采用光电二极管来生成与入射光能量成比例的光电流，并采用布置为互阻抗放大器的运算放大器电路来提供控制实施所需功能的电路的电压信号，所需功能诸如远程控制或屏幕亮度调整。某些远程控制系统采用环境光线抑制滤波器并接收幅值经过调制的载波，该载波的频率在30kHz至50kHz的范围内，被传递至带通滤波级，以通过所需的调制载波信号并抑制不需要的信号。然而，这些当前利用的光电探测器系统不具有足够低的功率消耗或足够高的动态范围供电力式眼科镜片使用。此外，将带通滤波器和/或环境光抑制滤波器用于红外通信会阻碍使用同一传感器对于环境光线水平的检测，并且需要额外的电路或传感器来进行环境光和眨眼检测。 [0014] 因此，需要适于整合到电力式或电子式眼科镜片中的光电探测器系统。目前应用的光电探测器系统优选地具有低功率消耗、宽动态范围、噪声抑制特性、以及检测环境可见光和红外光两者的能力。 发明内容[0015] 根据本发明的具有抗锯齿光电探测器系统的电力式或电子式眼科镜片克服了如上简述的与现有技术相关的局限性。 [0016] 根据一个方面，本发明涉及一种电力式眼科装置。该电力式眼科装置包括第一传感器，第一传感器包括一个或多个生成第一输出电流的光电二极管；以及用于接收第一输出电流并将其转换为第一输出电压的第一积分器，其中第一积分器包括第一开关和第一电容器，并且被配置成在预先确定的积分时间段内将第一输出电流积分。 [0017] 根据另一个方面，本发明涉及一种电力式眼科装置。该电力式眼科装置包括第一传感器，第一传感器包括一个或多个生成第一输出电流的光电二极管；用于接收第一输出电流并将其转换为供下游使用的第一输出电压的第一积分器，其中第一积分器包括第一开关和第一电容器，并且被配置成在预先确定的积分时间段内将第一输出电流积分；以及一个参考电压源，其中第一开关被配置成将第一电容器选择性地耦接到参考电压源；其中来自光电二极管的第一输出电流的分量与入射光成比例，预先确定的积分时间段是不可取的信号的周期的函数，第一传感器还被配置成首先闭合第一开关以使第一电容器在预充电时间间隔内预充电，然后在预先确定的积分时间段内再次断开第一开关，并将一个或多个光电二极管选择性地耦接到第一电容器，使得传感器的增益和/或灵敏度可以变化。 [0018] 根据另一个方面，本发明涉及一种光感测装置。该光感测装置包括第一传感器，第一传感器包括一个或多个生成第一输出电流的光电二极管；以及用于接收第一输出电流并将其转换为第一输出电压的第一积分器，其中第一积分器包括第一开关和第一电容器，并且被配置成在预先确定的积分时间段内将第一输出电流积分。 [0019] 本发明涉及一种包括电子系统的电力式眼科装置，诸如接触镜片，其中电子系统执行任何数量的功能，包括致动可变焦光学器件(如果包括的话)。该电子系统包括一个或多个电池或其他电源、功率管理电路、一个或多个传感器、时钟生成电路、控制算法和电路，以及镜片驱动电路。此外，根据本发明的电子系统还包括光电探测器系统，用于将来自光电探测器阵列的电流转换为在电力式眼科装置的其他方面使用的电压。 [0020] 本发明的光电探测器系统包括具有多个单独的光电二极管的光电二极管阵列、用于将电流转换为电压的包括电容器和开关的积分保持电路，以及模数转换器。包括阵列的光电二极管的数目可能变化以改变系统的灵敏度。积分保持电路取代了运算放大器，由此降低了装置的功率消耗，并且还起到有效抗锯齿滤波器的作用，由此因无需额外的滤波器而减小系统的总体尺寸。在其他实施方案中，可利用额外的电路来补偿暗电流或漏电流。本发明的光电探测器系统具有低功率消耗、宽动态范围、噪声抑制特性、以及检测入射环境可见光和入射红外光两者的能力。 [0021] 根据本发明的光电探测器系统克服了如上简述的与现有技术相关的局限性。更具体地讲，本发明的光电探测器系统能够在较宽的环境光线水平的动态范围内检测入射可见光和红外通信信号，并以极低的功率工作。本发明的光电探测器系统在给定尺寸的情况下，还能够更容易地集成到诸如接触镜片的电力式眼科装置中。附图说明 [0022] 以下附图更具体地说明了本发明的优选实施方案，通过这些说明，本发明的上述及其他特征和优点将显而易见。 [0023] 图1示出了包括根据本发明的光电探测器系统的示例性接触镜片。 [0024] 图2是根据本发明的光电探测器系统的图示。 [0025] 图3是根据本发明的光电探测器系统的相关信号的示例性时序图。 [0026] 图4是根据本发明的光电探测器系统的频率响应的图形表示。 [0027] 图5是根据本发明的具有暗电流消除功能的光电探测器系统的图解示意图。 [0028] 图6是根据本发明的示例性集成电路芯片上光阻挡区域和光通过区域的图解示意图。 具体实施方式[0030] 如上所简述，常规的接触镜片为具有特定形状的聚合物结构以矫正各种视力问题。为了实现增强的功能，可将各种电路和部件集成到这些聚合物结构中。例如，控制电路、微处理器、通信装置、电源、传感器、致动器、发光二极管和微型天线可经由定制内置的光电部件集成到接触镜片中，不仅矫正视力，而且提高视力，以及提供如本文所解释的附加功能。电子式和/或电力式接触镜片可被设计成经由放大和缩小能力或者仅只是通过改变镜片的屈光度来提高视力。电子式和/或电力式接触镜片可被设计成增强颜色和分辨率、显示纹理信息、将语音实时转变为字幕、提供导航系统的视觉提示，以及提供图像处理和互联网接入。镜片可被设计成允许佩戴者在低光照状况下视物。镜片上适当地设计的电子器件和/或电子器件的布置可允许例如在没有可变焦光学镜片的情况下将图像投射到视网膜上，提供新型图像显示器，并甚至提供唤醒警示。作为另一种选择或者除了这些功能或类似功能中任一种之外，接触镜片可结合用于非入侵地监视佩戴者的生物标记物的部件和健康指示器。例如，通过分析泪膜的组分，内置于镜片中的传感器使得糖尿病患者可以监测血糖水平，而不需要抽血。此外，经适当地配置的镜片可结合用于监视胆固醇、钠和钾水平以及其他生物标记物的传感器。如果结合无线数据发送器，这使得医师几乎可以立即得到患者的血液化学性质，而不需要患者浪费时间去实验室抽血。此外，可利用内置于镜片中的传感器来检测入射于眼睛上的光，以补偿环境光照状况或者用于确定眨眼模式。 [0031] 本发明的电力式或电子式接触镜片包括必要元件，以矫正和/或提高具有一种或多种上述视力缺陷的患者的视力，或者以其他方式执行可用的眼科功能。此外，电子式接触镜片可仅仅用来提高正常的视力，或者提供如上所述的多种功能。电子式接触镜片可包括可变焦光学镜片，嵌入接触镜片中的已组装前光学器件，或者仅只是嵌入任何合适功能的电子器件而没有镜片。本发明的电子式镜片可结合到任何数目的上述接触镜片中。此外，眼内镜片也可结合本文所述的各种部件和功能。然而，为了容易解释，本公开将集中于用于矫正视力缺陷的旨在单次使用的日抛型电子式接触镜片。 [0032] 本发明可用于包括电子系统的电力式眼科镜片或电力式接触镜片，电子系统用于致动可变焦光学器件或任何其他被配置成能够实现可执行的任何数量诸多功能的一种或多种装置。该电子系统包括一个或多个电池或其他电源、功率管理电路、一个或多个传感器、时钟生成电路、控制算法和电路，以及镜片驱动电路。这些部件的复杂性可根据所需或所期望的镜片功能而不同。 [0033] 对电子式或电力式眼科镜片的控制可通过与镜片通信的手动操作式外部装置诸如手持式远程单元来实现。例如，表链可基于佩戴者的人工输入与电力式镜片进行无线通信。作为另外一种选择，对电力式眼科镜片的控制可经由直接来自于佩戴者的反馈信号或控制信号来实现。例如，内置于镜片中的传感器可检测眨眼和/或眨眼模式。基于眨眼模式或眨眼序列，为了聚焦于近处物体或远处物体上，电力式眼科镜片可改变状态，例如改变其屈光力。 [0034] 作为另外一种选择，电力式或电子式眼科镜片中的眨眼检测可用于其中在使用者与电子式接触镜片之间存在相互作用的各种其他用途，诸如激活另一电子装置或向另一电子装置发送命令。例如，眼科镜片中的眨眼检测可与计算机上的照相机结合使用，其中照相机跟踪眼睛在计算机屏幕上移动的位置，当用户执行眨眼序列并且眨眼检测检测到该眨眼序列时，引起鼠标指针执行命令，诸如双击某一个项、高亮显示某一个项或选择菜单项。 [0035] 眨眼检测算法可以是用于检测眨眼特性的系统控制器部件，例如检测眼睑是张开的还是闭合的、眨眼的持续时间、眨眼之间的持续时间、以及在给定时间周期中的眨眼次数。根据本发明的算法依赖于以某一取样速率取样入射于眼睛上的光。预先确定的眨眼模式将被存储并与最近的入射光样本进行比较。当模式相匹配时，眨眼检测算法可触发系统控制器中的活动，例如以激活镜片驱动器从而改变镜片的屈光力。 [0036] 眨眼是眼睑的快速闭合和打开，并且是眼睛的基本功能。眨眼保护眼睛免受异物损伤，例如当物体意外地出现在眼睛附近时，个体便会眨眼。眨眼通过铺展眼泪而在眼睛的前表面上提供润滑作用。眨眼还用于从眼睛移除污染物和/或刺激物。正常情况下，眨眼是自动完成的，但外部刺激可能会导致眨眼，例如在存在刺激物的情况下。然而，眨眼也可能是有目的，例如对于不能通过语言或通过手势进行交流的个体可通过眨眼一次来表示“是”、通过眨眼两次来表示“否”。本发明的眨眼检测算法和系统利用不会与正常眨眼响应相混淆的眨眼模式。换句话讲，如果要将眨眼用作用于控制动作的方法，则为给定动作所选择的特定模式不能无规地出现；否则，可能发生无意的动作。由于眨眼速度可受到若干因素(包括疲劳、眼睛受伤、用药和疾病)的影响，用于控制目的的眨眼模式优选地考虑到这些因素以及任何其他影响眨眼的变量。无意眨眼的平均长度在约一百(100)毫秒至四百(400)毫秒的范围内。成年男性和女性的平均眨眼速率为每分钟十(10)次无意眨眼，无意眨眼之间的平均时间为约0.3秒至七十(70)秒。需着重注意的是，个体的眨眼速率可能由于其他因素而变化，例如个体在专心做事或阅读时眨眼减少，而个体在无聊时眨眼会增加。 [0037] 然而，如上文所示，本发明的光电探测器系统优选地针对超出眨眼检测功能的额外功能来设计。例如，可出于任何目的利用本发明的光电探测器系统来检测入射可见光和/或红外通信信号。 [0038] 图1以框图形式示出示例性电力式或电子式接触镜片100，该接触镜片包括光电探测器系统102、信号处理电路104、系统控制器106、电源108和致动器110。在将接触镜片100置于用户眼睛的前表面上时，可利用光电探测器系统102来检测环境光、入射光水平的变化或红外通信信号。构成示例性电力式接触镜片100的每个部件的功能和操作如下所述。 [0039] 在该示例性实施方案中，光电探测器系统102可嵌入接触镜片100中，接收环境光或红外光101，以及将数据信号112提供给信号处理电路104，该数据信号具有表示入射于接触镜片100上的光能量的值。光电探测器系统102和信号处理电路104可被配置用于双向通信。换句话讲，信号处理电路104可向光电探测器系统102提供一个或多个信号，随后会示出该信号的示例。信号处理电路104可用于数字信号处理，该数字信号处理包括对数据进行过滤、处理、检测以及以其他方式操纵/处理中的一种或多种，从而允许入射光检测供下游使用。信号处理电路104可被配置成检测用于指示特定眨眼模式或红外通信协议的预先确定的光线变化序列。在检测到预先确定的序列后，信号处理电路104可向系统控制器106提供指示信号114，作为响应，系统控制器106可作用以更改致动器110的状态，例如通过启用、禁用或改变致动器110的诸如幅值或工作周期等的操作参数来进行更改。系统控制器106和信号处理电路104可被配置用于双向通信。换句话讲，系统控制器106可向信号处理电路104提供一个或多个信号，随后会示出该信号的示例。 [0040] 系统控制器106可向光电探测器系统102提供反馈信号调整光电探测器系统102的增益，作为对环境光线水平的响应，从而最大化系统的动态范围。 [0041] 在一些实施方案中，信号处理电路104可实施为数字逻辑电路，光电探测器系统102可被配置成提供数字数据信号112。还可将系统控制器106实施为数字逻辑电路，以及实施为单独的部件或与信号处理电路104集成。可用自定义逻辑、重新编程的逻辑或本领域普通技术人员熟知的一个或多个微控制器来实施信号处理电路104和系统控制器106。信号处理电路104和系统控制器106可包括相关的存储器来保留数据信号112的值的历史记录或系统的状态。需着重注意的是，可以利用任何合适的排列和/或配置。 [0042] 电源108为构成接触镜片100的多个部件提供电力。电力可由电池、能量采集器或本领域普通技术人员已知的其他合适装置来提供。实质上，可利用任何类型的电源108来为系统的所有其他部件提供可靠的电力。可利用具有预先确定的序列或消息值的眨眼序列或红外通信信号来更改上文示出的系统和/或系统控制器的状态。此外，系统控制器106可根据来自信号处理器104的输入来控制电力式接触镜片的其他方面，例如通过致动器110来改变电子控制式镜片的焦距或屈光力。如图所示，电源108连接至其他部件中的每一个并且将连接至需要电力的任何额外元件或功能块。 [0043] 致动器110可包括用于基于所接收的命令信号来实现特定动作的任何适合装置。例如，如果已按上述方式检测到眨眼激活序列，则系统控制器106可启用致动器110，以控制电子式或电力式镜片的可变光学元件。致动器110可包括电气装置、机械装置、磁性装置或它们的任何组合。除了从电源108接收电力，致动器110还从系统控制器106接收信号，并基于来自系统控制器106的信号产生一些动作。例如，如果系统控制器106的信号指示佩戴者正在试图聚焦于近处物体上，则可利用致动器110改变电子式眼科镜片的屈光力，例如经由动态多液体光学区。在另选的示例性实施方案中，系统控制器106可输出指示应向眼睛递送治疗剂的信号。在该示例性实施方案中，致动器110可包括泵和贮存器，例如微机电系统(MEMS)泵。如上所述，本发明的电力式镜片可提供多种功能，因此，可不同地配置一个或多个致动器以实现这些功能。 [0044] 图2以部分示意图、部分框图形式示出了根据本发明示例性实施方案的光电探测器系统200。光电探测器系统200包括具有多个单独的光电二极管的光电二极管阵列202；积分保持电路204；以及提供输出数据信号208的模数转换器206。光电二极管阵列202包括一个或多个具有阴极端子的光电二极管DG1至DG5，这些阴极端子被选择性地耦接到阴极节点210。在其他示例性实施方案中，光电二极管阵列202可包括另外的光电二极管、更少光电二极管或甚至是单个光电二极管。选择性耦接由增益信号pd_gain的值确定，该值可由信号处理电路提供，例如图1中所示的信号处理电路104。光电二极管构造的详细说明随后给出。在一些实施方案中，当一个或多个光电二极管DG1至DG5中的一个未耦接到阴极节点210时，其阴极端子可耦接到电路接地以将与半导体二极管结相关联的寄生电容放电。一个或多个光电二极管DG1至DG5生成响应于入射光212的光电流。硅半导体光电二极管通常生成具有与入射光能量成比例的值的光电流，并且由于漏电流机制还生成“暗电流”，该暗电流独立于入射光存在并且可与整个光电二极管的温度和电压成比例。因此由光电二极管阵列202生成的总电流包括由入射光212确定的分量以及由所选一个或多个光电二极管DG1至DG5生成的暗电流分量。硅半导体光电二极管还包括结电容。 [0045] 积分保持电路204包括积分电容器Cint、保持开关S3和预充电开关S4。保持开关S3基于保持信号holdB的值，将阴极节点210选择性地耦接到积分电容器Cint。当保持信号holdB提供逻辑一或高电压值时，保持开关S3优选地被配置成关，当保持信号holdB提供逻辑零或低电压值时，则被配置成开。预充电开关S4基于预充电信号PRECHRG的值，将积分电容器Cint选择性地耦接到参考电压vref。当预充电信号PRECHRG呈现逻辑一或高电压值时，预充电开关S4优选地被配置成关，当预充电信号PRECHRG呈现逻辑零或低电压值时，则被配置成开。积分电容器Cint还连接到积分输出电压节点Int_vout。在工作中，积分电容器Cint预充电至参考电压vref，然后将由光电二极管阵列202消耗的电流积分，从而得到积分的输出电压Int_vout。 [0046] 模数转换器206被配置成接收在积分电容器Cint上形成并在积分输出电压节点Int_vout上提供的电压，并提供表示积分输出电压的数字输出值Dout。模数转换器206可被配置成接收启用信号adc_en_rst。在一些示例性实施方案中，模数转换器206被配置成当adc_en_rst呈现逻辑零值时重置，当adc_en_rst转变为逻辑一值时开始转换操作。 [0047] 在该示例性实施方案中，增益信号pd_gain是以pd_gain＜4：0＞符号表示的五位数字信号，这样由光电二极管阵列202生成的总光电流可适当地扩展以适应入射光强度。另外在该示例性实施方案中，光电二极管DG1、DG2、DG3、DG4和DG5分别包括1个、7个、56个、448个和3584个光电二极管元件。在非常高的入射光强度下，来自仅一个光电二极管元件阴极(DG1)的光电流可输出至积分器，并且剩余所有阴极短接到地。在较低的光强度下，可同时选择光电二极管DG1和DG2，提供八倍于光电二极管DG1的灵敏度。同样对于逐渐降低的强度，选择光电二极管DG1、DG2和DG3可提供64倍于光电二极管DG1的灵敏度，选择光电二极管组DG1至DG4则可提供512倍于光电二极管DG1的灵敏度。在最低的可用光强度下，选择光电二极管DG1至DG5可提供4096倍于光电二极管的灵敏度，方法是选择阵列中的全部4096个光电二极管元件。这样可经由光电二极管阵列202在72dB范围内灵敏度的增益信号pd_gain进行数字控制。 [0048] 图3示出了图2中示出的示例性光电探测器系统200的积分和转换序列的时序图。首先，在由301指示的时间处，保持信号holdB被设定为用于闭合保持开关S3的高电压值，并因而将积分电容器Cint耦接到阴极节点210和光电二极管阵列202。然后在302处断言预充电信号PRECHRG，从而闭合预充电开关S4并将积分电容器Cint、阴极节点210以及所选一个或多个光电二极管DG1至DG5的结电容耦接到参考电压vref。需着重注意的是，当以标记为Int_vout的迹线中示出的积分电容器Cint上的电压在时间302之前显示为恒定值时，电压可为由光电探测器系统(图2)上的入射光自之前操作起经过的时间以及由其他本领域的普通技术人员理解的其他相似功能确定的任何合理值。接下来在303处，取消断言预充电信号PRECHRG，从而断开参考电压vref并允许由光电二极管阵列202消耗电流以将积分电容器Cint放电。在积分时间Tint之后，在304处将保持信号holdB设置为低电压值，从而断开保持开关S3。然后在305处，将启用信号adc_en_rst驱动至逻辑零值，随后驱动至逻辑一值，以开始转换操作。在转换时间Tadc之后，数字输出值Dour会呈现表示积分电压Vint的新值。在该示例性实施方案中，积分电压由参考电压vref与积分输出电压节点Int_vout上所提供的积分电容器Cint上的电压之差表示。 [0049] 一个或多个光电二极管DG1至DG5中的每一个可建模为电流源。由光电二极管阵列202生成的总电流可通过积分电容器Cint积分。在信号链中不需要运算放大器，并且该信号链继而允许极低的功率耗散。在积分时间Tint结束时，积分器输出上所得的电压由下式确定[0050] Int_vout＝vref-(IPD/Cint)·Tint， (1) [0051] 其中Tint为积分时间段，IPD为由光电二极管阵列202生成的总电流。可从本公式看出，当量电阻Rgain由下式计算得出，该电阻用于确定互阻增益并且将输入电流转变为输出电压： [0052] Rgain＝Tint/Cint。 (2) [0053] 可从公式2看出，Rgain与Tint成正比并与Cint成反比。为了便于讨论，该电阻可被视为时变电阻器。因此，例如，要增大增益，我们可增大积分间隔Tint，以及/或者减小积分电容器Cint。这样，通过较小的电容器即可实现较高的增益值，进而得到较小的芯片尺寸，这又是优选的设计参数。因此要调整增益，可切入或切出额外的电容和/或更改积分时间Tint，例如经由数字控制。 [0054] 请注意，利用很小的面积即可得到非常大的Rgain值，因此本发明的电路适用于半导体芯片中的积分，也适用于诸如电力式接触镜片的生物医学器械中。例如，当Cint＝1pF、Tint＝100mS时，Rgain＝100GΩ，在典型的0.18μm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺中，仅约14μm×14μm的面积即可实现此值。 [0055] 在积分输出电压节点Int_vout(公式1)上提供的电压随后通过模数转换器206进行数字化。模数转换器的满刻度输出对应于Vint＝vref以及积分输出电压节点Int_vout上的0V电压，并且对应于由下式确定的满刻度光电流IPD(FS) [0056] (FS)＝Cint·vref/Tint。 (3) [0057] 对应于积分和保持运算的周期性时变刺激响应可通过时变刺激响应h(，)描述，其中 [0058] h(τ，t)＝u(τ)-u(τ+(N-l)·Tint-t)， (4) [0059] 在以下间隔内，(N-1)·Tint＜t≤(N·Tint)，N＝1，2，3，...。 [0060] 公式4在时间t提供刺激响应h(，)，其中N是表示给定积分时间间隔的整数。公式4示出时变刺激响应即为脉冲，其宽度随t增大至t＝Tint线性增大。然后在t＝Tint+处，刺激响应脉冲宽度回降至零宽度(预设值)，并再次开始增大，直至t＝2Tint(这是周期性的，周期＝Tint)。在t＝Tint+中的加号(+)意指在t＝Tint这一刻计算立即开始。 [0061] 在每个积分间隔的末尾，t＝N*Tint(N＝1，2，3，...)，并且在公式4中，刺激响应由下式确定 [0062] h(τ，N·Tint)＝u(τ)-u(τ-Tint)。 (5) [0063] 在每个积分间隔末尾的刺激响应的拉普拉斯转化传递函数(公式5)由下式确定[0064] H(s)＝[1-e-(s·Tint)]/(s·Tint)。 (6) [0065] 使公式6中的s＝j2πf，然后进行简化，得到由下式确定的积分和保持运算的傅立叶变换 [0066] H(j2πf)＝e-(jπ·Tint·f)sin(π·Tint·f)/(π·Tint·f)。 (7)[0067] 可从公式7看出，所得频率响应大小与频率f(提供20dB/dec衰减)成反比，并且由周期性零(凹口)中断。 [0068] 图4示出频率响应大小和积分时间Tint 0.1s的频率，并且在10Hz的倍数时具有周期性零(凹口)。应当理解公式7的归一化频率响应与Cint无关。即，拐角频率和频率响应的形状与Cint无关，仅取决于积分间隔Tint的长度。 [0069] 可从公式看出，频率响应相位呈完全线性，具有由下式确定的延迟[0070] Tdelay＝Tint/2。 (8) [0071] 周期性凹口出现在频率fN处，该频率由下式确定 [0072] fN＝N/Tint， (9) [0073] 其中N＝1，2，3...。 [0074] 选择如下ADC采样频率 [0075] fs＝1/Tint。 (10) [0076] 图4中示出了频率响应，其中Tint＝0.1s(fs＝10Hz)，具有4.4Hz的3dB拐角频率，从而过渡到10Hz处的第一凹口(无穷大衰减)。因此积分和保持运算用作非常有效的抗锯齿滤波器，从而非常迅速地衰减Nyquist频率(fs/2)上方的频率。对于许多环境光或红外通信应用，无需额外的抗锯齿滤波器电路，从而最小化本发明光电探测器系统所需的面积。 [0077] 周期性凹口还延伸至数倍AC线频率(50Hz或60Hz)。这样便具有在100Hz或120Hz时超出已有的约30dB抗性的额外荧光灯闪烁抑制的增加的优势，原因在于4.4Hz拐角上方有20dB/dec的衰减。对于Tint＝1/Fs的另一个选择为83.33...ms，在12Hz的倍数和-3dB的拐角频率5.33Hz处提供凹口。 [0078] 积分和重置功能所需的总电流由每个采样周期或循环将Cint预充电至vref所需的电流确定。假设积分电容器Cint在每个循环完全放电的平均电流由下式确定[0079] Iavg＝vref·Cint/Tint。 (11) [0080] 通过举例说明，如果光电探测器系统的vref＝1.8V、Cint＝145pF、并且Tint＝100mS，则积分器的平均电流Iavg＝2.6nA(标称)。这假设Cint在每个采样周期或循环由光电二极管电流完全放电。应当理解，平均电源电流等于由光电二极管阵列202所生成总电流的平均值。 [0081] 因此较低的功率耗散需要由光电二极管阵列202生成的较低电流，并且对于积分时间Tint上的满刻度过渡，需要较小的积分电容器Cint值。总体而言，最佳的最低功率、最小设计可具有包括最小尺寸光电二极管结和小型积分电容器Cint的光电二极管阵列202。本领域的技术人员将会知道，最小尺寸可受到采样噪声、开关电荷注入以及涉及电路和装置非理想状态的其他考虑事项限制。 [0082] 图5以部分示意图、部分框图形式示出根据本发明的另一示例性实施方案的具有暗电流消除功能的光电探测器系统500。光电探测器系统500包括具有耦接到第一阴极节点504的光电二极管DG1至DG5的光电二极管阵列502、第一积分保持电路506、耦接到第二阴极节点510的暗光电二极管阵列508、第二积分保持电路512、输入选择开关514、模数转换器 516、第一寄存器518、第二寄存器520以及提供输出数据信号524的减法器522。光电二极管阵列502和积分保持电路506工作以生成第一积分电压Int_vout，其工作方式分别与结合图 2在上文所述的光电探测器系统200的光电二极管阵列202和积分保持电路204类似。 [0083] 如上文所示，硅半导体光电二极管由于漏电流机制生成“暗电流”，该暗电流独立于入射光存在并且可与整个光电二极管的温度和电压成比例。因此，利用暗电流光电二极管阵列来进行补偿，随后将对此进行详述。暗电流光电二极管阵列508包括一个或多个具有阴极端子的光电二极管DG1a至DG5a，这些端子被选择性地耦接到阴极节点510。以与光电二极管阵列202和502类似的方式，暗电流光电二极管阵列508中的选择性耦接由pd_gain信号的值确定，该值可通过信号处理电路提供。在一些示例性实施方案中，当一个或多个光电二极管DG1a至DG5a中的一个未耦接到第二阴极节点510时，其阴极端子可耦接到电路接地以将与半导体二极管结相关联的寄生电容放电。一个或多个光电二极管DG1a至DG5a覆盖有诸如金属层的阻光层，因此它们不会生成响应于入射光526的光电流。然而，可利用任何合适的阻光层或涂层。因此由暗光电二极管阵列508生成的总电流仅包括由所选一个或多个光电二极管DG1a至DG5a生成的暗电流或漏电流分量。本领域的技术人员将会知道，如果光电二极管DG1a至DG5a以及DG1至DG5一起制造，例如在同一硅晶片中，并且如果对应的光电二极管(DG1和DG1a、DG2和DG2a等)具有相同有效的尺寸和面积，则由光电二极管DG1a至DG5a生成的暗电流在量值上与由光电二极管阵列502的光电二极管DG1至DG5生成的暗电流非常类似。 [0084] 第二积分保持电路512包括第二积分电容器Cinta、第二保持开关S3a和第二预充电开关S4a。第二保持开关S3a基于保持信号holdB的值，将第二阴极节点510选择性地耦接到第二积分电容器Cinta。当保持信号holdB呈现逻辑一或高电压值时，第二保持开关S3a优选地被配置成关，当保持信号holdB呈现逻辑零或低电压值时，则被配置成开。第二预充电开关S4s基于预充电信号PRECHRG的值，将第二积分电容器Cinta选择性地耦接到参考电压vref。当预充电信号PRECHRG呈现逻辑一或高电压值时，第二预充电开关S4a优选地被配置成关，当预充电信号PRECHRG呈现逻辑零或低电压值时，则被配置成开。第二积分电容器Cinta还连接到积分输出电压节点Int_vout。在工作中，第二积分电容器Cint预充电至参考电压vref，然后将由暗光电二极管阵列506消耗的电流积分，得到第二积分的输出电压Int_vouta。 [0085] 输入选择开关514被配置成将第一积分输出电压Int_vout或第二积分输出电压Int_vouta中的一个选择性地耦接到模数转换器516的输入。可基于由信号处理电路或控制器提供的选择控制信号sel确定选择性耦接。 [0086] 模数转换器516被配置成接收通过输入选择开关514选择性地耦接的电压并提供数字输出值。在该示例性实施方案中，模数转换器516选择性地存储对应于第一寄存器518中积分输出电压Int_vout的数字输出值，以及对应于第二寄存器520中积分输出电压Int_vouta的数字输出值。可基于选择控制信号sel确定该选择性存储。模数转换器516可被配置成接收启用信号adc_en_rst。在一些示例性实施方案中，模数转换器516被配置成当adc_en_rst呈现逻辑零值时重置，当adc_en_rst转变为逻辑一值时开始转换操作。减法器522基于保留在第一寄存器518和第二寄存器520中的值之间的差值来生成输出数据信号524。这样，输出数据信号514表示来自光电二极管阵列502的积分光电流，以及光电二极管阵列502与暗光电二极管阵列508之间的暗电流的差值。如果暗电流在量值上非常相似并且积分时间相同，则暗电流的差值将接近零，因此输出数据信号514将表示来自光电二极管阵列502的积分光电流。 [0087] 以与针对光电探测器系统200所述非常类似的方式，在非常低的光强度下，可经由5位增益控制pd_gain＜4：0＞来选择光电二极管阵列502和508中的所有4096光电二极管。 这为光电流生成提供了最大的结面积，从而提供最高光敏性，但也会生成最高暗电流。为了改善信噪比(SNR)或光电流与暗电流之比，光电探测器系统500会测量并以机械方式消除不需要的暗电流分量，直至光电二极管阵列502和暗光电二极管阵列508、第一积分保持电路 506以及第二积分保持电路512分别匹配。 [0088] 图6示出了集成电路芯片600上的示例性光阻挡特征结构和光通过特征结构。集成电路芯片600包括光通过区域602、光阻挡区域604、接合焊盘606、钝化开孔608和光阻挡层开孔610。光通过区域602位于一个或多个光电二极管阵列(未示出)上方，例如在半导体工艺中实现的光电二极管阵列。在优选的示例性实施方案中，光通过区域602使尽可能多的光到达光电二极管，从而使灵敏度最大化。这可通过除去一个或多个光电二极管阵列上方的多晶硅、金属、氧化物、氮化物、聚酰亚胺和其他层来完成，这在用于加工或后处理的半导体工艺中是允许的。透光区域602也可接受其他特殊处理以优化光检测，例如减反射涂层、滤光片和/或扩散片。光阻挡区域604可覆盖芯片上不需要曝光的其他电路。光电流可能会使其他电路的性能劣化，例如在如此前所提及的结合到接触镜片中所需的超低电流电路中使偏置电压和振荡器频率偏移。光阻挡区域604优选地用不透明的薄材料形成，例如已经在半导体晶片处理和后处理中使用的铝、铜或钛。如果用导电金属实现，则形成光阻挡区域604的材料必须与下方的电路和接合焊盘606绝缘，以防止短路状况。此类绝缘可由已经作为正常晶片钝化物的一部分存在于芯片上的钝化物(例如氧化物、氮化物和/或聚酰亚胺)来提供，或者用在后处理期间所加入的其他电介质来提供。遮蔽允许光阻挡层具有开孔610，以便导电的光阻挡金属不与芯片上的接合焊盘重叠。光阻挡区域604被额外的电介质或钝化物覆盖，以保护芯片并避免在芯片附接期间短路。该最终钝化物具有钝化物开孔608以允许连接至接合焊盘606。 [0089] 图7示出了根据本发明的具有电子插件的示例性接触镜片，所述电子插件包括眨眼检测系统。接触镜片700包括具有电子插件704的软塑料部分702。插件704包括由电子器件激活的镜片706，该镜片例如，聚焦于近处或远处，取决于激活情况。集成电路708安装至插件704上并连接至电池710、镜片706以及系统必需的其他部件。集成电路708包括光电二极管阵列712和相关联的光电探测器信号路径电路。光电二极管阵列712穿过镜片插件面朝外并远离眼睛，因而能够接收环境光。光电二极管阵列712例如可以单个光电二极管或光电二极管阵列等方式在集成电路708上(如图所示)实现。光电二极管阵列712也可作为安装于插件704上的单独装置实现并与迹线714连接。当眼睑闭合时，包括光电探测器712的镜片插件704被覆盖，从而使入射于光电探测器712上的光水平减小。光电探测器712能够测量环境光和/或红外光。 [0090] 本发明的光电探测器系统的额外考虑事项还允许减少光电探测器系统和其中可结合该系统的电力式或电子式眼科镜片所需面积、体积或成本。 [0091] 积分电容Cint可部分地由模数转换器的输入电容形成，诸如连续逼近性模数转换器(SAR ADC)的反馈DAC电容器阵列。请注意，如果两个光电二极管阵列的积分时间段并非同时，这将在结合图5所述的示例性实施方案的情况中适用。 [0092] 在图5的光电探测器系统，将单个模数转换器用于两个数量的转换。备选的实施方案可采用两个模数转换器，但使用一个模数转换器可消除模数转换器本身固有的任何偏移，而具有两个模数转换器的系统将具有对应于转换器之间偏移中失配的残余偏移。 [0093] 优选地，光电二极管阵列以CMOS技术实施，以提升积分能力并减小光电探测器系统以及信号处理和系统控制器电路的总体尺寸。优选地，光电探测器系统、信号处理电路和系统控制器电路在单个硅芯片中集成在一起，从而减小电力式或电子式眼科镜片中用于互连迹线的所需面积以及芯片上用于粘结或凸块垫的所需面积。 [0094] 本领域的技术人员应当理解，当需要较低的动态范围时，光电二极管阵列可包括更少的光电二极管。例如，在一些实施方案中，包括单个光电二极管的光电二极管阵列可能已足够。光电二极管可包括单个光电二极管元件。然而，通过实施采用普通设计(尺寸、面积、漫射类型)的具有大量互连(例如平行)光电二极管元件的更大光电二极管可实现最佳增益缩放。 |
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