JP2018128705A - 可変光学眼科用電子レンズのためのシステムコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】 可変焦点光学部品を作動させる電子システムを備える眼科用装置を提供する。【解決手段】 この眼科用装置は、中心に可変焦点レンズを含む電子部品インサートを有する軟質プラスチック部分を備えた可変焦点レンズを含む眼科用デバイスと、電子部品インサートに取り付けられた電子システムと、を含む。【選択図】 図１

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１２年４月３日に出願された米国特許仮出願第６１／６１９，７２７号、及び２０１２年４月３日に出願された米国特許仮出願第６１／６１９，６５５号の利益を主張する。

（発明の分野）
本発明は可変光学眼科用電動又は電子レンズに関するものであり、より具体的には、可変光学眼科用電子レンズを制御するためのシステムコントローラに関する。

電子デバイスの小型化が継続するにつれ、多様な用途のための着用可能又は埋め込み可能なマイクロ電子デバイスが形成される可能性が益々高まっている。それらの用途には、生体化学反応の局面の監視、様々な機構（自動的機構、測定値に対応した機構、又は外部制御信号に応答した機構を含む）を介した、制御された用量の薬物又は治療薬の投与、及び器官又は組織の能力の増強が挙げられる。そのようなデバイスの例には、グルコース注入ポンプ、ペースメーカー、除細動器、補助人工心臓、及び神経刺激装置が挙げられる。新しい、特に有用な用途分野は、眼科用の装着型レンズ及びコンタクトレンズにある。例えば、装着型レンズは、眼の能力を増強又は向上させるために、電子式可変焦点を有するレンズアセンブリを組み込み得る。別の例では、装着型コンタクトレンズは、調節可能な焦点を有し又は有さずに、電子センサを組み込んで、前角膜（涙膜）中の特定の化学物質の濃度を検出することができる。レンズアセンブリ内に埋め込まれた電子部品を使用することにより、その電子部品の電源投入及び／又は再活性化する手段のため、その電子部品の相互接続のため、内外の検出及び／又は監視のため、並びに電子部品及びレンズの全体的機能の制御のために、潜在的に、この電子部品との通信の必要が生じる。

ヒトの眼は、数百万の色を識別する能力、変化する光条件に対して容易に調整する能力、及び信号又は情報を、高速インターネット接続を超える速度で脳に伝達する能力を有する。コンタクトレンズ及び眼内レンズ等のレンズは、現在、近視、遠視、老眼、及び乱視等の視力障害を補正するように使用されている。しかしながら、追加の構成要素を組み込んだ、適切に設計されたレンズを使用して、視力を向上させ、また視力障害を補正することができる。

コンタクトレンズは、近視、遠視、乱視、並びにその他の視力障害を補正するために利用され得る。コンタクトレンズはまた、着用者の眼本来の外観を強化するために利用されることもある。コンタクトレンズ又は「コンタクト」は、眼の前面の上に配置される単純なレンズである。コンタクトレンズを医療装置と見なし、視力を矯正するために、及び／又は美容上若しくは他の治療上の理由から装着してもよい。コンタクトレンズは、視力を向上させるために、１９５０年以降商業的に利用されている。初期のコンタクトレンズは、硬質材料から作製又は製造され、比較的高価で脆弱であった。加えて、これらの初期のコンタクトレンズは、コンタクトレンズを通して結膜及び角膜に十分な酸素を透過しない材料から作製され、このことは、いくつかの臨床的副作用を引き起こす可能性があった。これらのコンタクトレンズは依然として利用されているが、それらは、初期快適性が低いため、すべての患者に適しているわけではない。当分野における最近の開発によって、ヒドロゲル系のソフトコンタクトレンズが生み出され、これは現在非常に好評であり、広く利用されている。具体的には、現在利用可能なシリコンヒドロゲルのコンタクトレンズは、非常に高い酸素透過率を有するシリコンの利点を、ヒドロゲルの実証された快適性及び臨床成績と組み合わせている。本質的に、シリコンヒドロゲルを利用したコンタクトレンズは、より高い酸素透過性を有し、一般に、初期の硬い材料で作成されたコンタクトレンズより着用が快適である。

従来のコンタクトレンズは、特定の形状を有して、上記に簡潔に示した様々な視力問題を補正する高分子構造である。高い機能性を達成するためには、様々な電子回路及び構成要素をこれらの高分子構造に一体化する必要がある。例えば、制御回路、マイクロプロセッサ、通信装置、電力供給装置、センサ、アクチュエータ、発光ダイオード、及び小型アンテナを、特注の光電子構成要素を介してコンタクトレンズ内に一体化することにより、視力を補正するだけでなく、視力を向上させ、また本明細書に説明する追加の機能性を提供し得る。電子及び／又は電動コンタクトレンズは、ズームイン及びズームアウト能力を介して、又は単にレンズの屈折能力を変更することを介して、向上された視力を提供するように設計され得る。電子及び／又は電動コンタクトレンズは、色及び分解能を向上させ、テクスチャ情報を表示し、言語をリアルタイムで字幕に翻訳し、ナビゲーションシステムからの視覚的合図を提供し、画像処理及びインターネットアクセスを提供するように設計され得る。レンズは、着用者が、暗い状況下で見ることを可能にするように設計され得る。レンズ上の適切に設計された電子部品及び／又は電子部品の配置により、例えば、可変焦点光学レンズなしで、画像を網膜上に投影することが可能となり、新しい画像ディスプレイを提供し、また起床警告さえも提供し得る。代替的に、又はこれら若しくは同様の機能に加えて、コンタクトレンズは、着用者のバイオマーカー及び健康指標を非侵襲的に監視するための構成要素を組み込んでもよい。例えば、レンズ内に構築されたセンサは、糖尿病患者が、血液を採取する必要なしに、涙膜の構成成分を分析することによって、血糖値を把握することを可能にし得る。加えて、適切に構成されたレンズは、コレステロール、ナトリウム、及びカリウム、並びに他の生物学的マーカーのレベルを監視するためのセンサを組み込み得る。無線データ送信機に接続されたこのセンサによって、患者が検査施設に行き血液を採取するのに時間を費やす必要なしに、医師が患者の血液成分にほぼ即時にアクセスすることが可能になり得る。加えて、レンズに組み込まれたセンサを利用して、眼への入射光を検出し、周囲の光条件に対する補償を行い、またまばたきのパターン判定に利用することができる。

デバイスの適切な組み合わせは、潜在的に無制限の機能性を提供し得るが、光学グレードのポリマー片の上に付加的な構成要素を組み込むことに関連して、多数の困難が存在する。一般に、それらの構成要素をレンズ上に直接製造すること、及び、非平面状の表面に平面状のデバイスを装着及び相互接続することは、多数の理由により困難である。また、縮尺に合わせて製造することも困難である。レンズ上又はレンズ内に配置される構成要素は、眼上の液体環境から保護されると共に、小型化され、かつわずか１．５平方センチメートル（レンズ半径を７ｍｍと仮定）の透明ポリマー上に一体化される必要がある。追加の構成要素による付加的な厚さを有するコンタクトレンズを、着用者にとって心地よく安全なものにすることも困難である。

具体的には、１．５平方センチメートルの透明ポリマーとは、コンタクトレンズの全体の面積を意味する。特定の代表的な実施形態において、電子部品はレンズの周辺部に配置され、オプティカルゾーンの外にあることが望ましい。別の代表的な実施形態においては、薄膜材料又は透明シリコンを利用することも可能である。上記の実施例において、中央の直径８ｍｍの部分（半径４ｍｍ）がオプティカルゾーンとして確保された場合、最大で１平方センチメートルが電子部品のために残される。今後の設計では、電子部品に必要な面積は更に小さくなる可能性があり、例えば、可変焦点光学部分を除いて約０．１７平方センチメートル（１７平方ミリメートル）の環状リングとして設計され得る。これはすなわち、所与のダイで最大１．２６平方ミリメートルのＩＣダイ面積を利用することができるということを意味する。換言すれば、本発明において必要とされているのは、前例のない縮尺の設計及び構成である。

コンタクトレンズ等の眼科用デバイスの面積及び体積の制約、並びにそのデバイスが使用される環境を考慮すると、デバイスの物理的実現は、その大部分が光学プラスチックを含む非平面状の表面に、多数の電子構成要を装着し相互接続することを含む、多数の問題を克服しなければならない。したがって、機械的かつ電気的に頑丈な電子コンタクトレンズを提供する必要がある。

これらは電動レンズであるため、眼科レンズ用の縮尺での電池技術を考慮すれば、電子部品を動作させるためのエネルギー（より具体的には電流と電力消費）が懸念事項となる。通常の電流消費に加え、この性質の電動デバイス又はシステムには、潜在的に幅広い動作パラメータにわたって動作を確実にし、数年間にわたって潜在的に無使用状態になった後でも、例えば１回の充電で最長１８時間のバースト消費を確実に行えるよう、スタンバイ電流予備、正確な電圧制御、及びスイッチ機能が必要となる。したがって、必要な電力を供給しながら、低価格性、長期的信頼性のある動作、安全性、寸法について最適化されたシステムのニーズが存在する。

加えて、電動レンズに伴う機能の複雑さと、電動レンズを含む全構成要素間の高度な相互作用のため、電子部品及び光学部品（電動眼科レンズを含む）の全体的な動作を調整及び制御するニーズが存在する。眼科用電子デバイスの制御にはこれまで商用マイクロコントローラが検討されてきている。しかしながら現在使用可能なマイクロコントローラには、眼科用電子デバイスに使用するには数多くの欠点がある。商用マイクロコントローラは現在約５平方ミリメートルであり、辺の寸法が一部の眼科用デバイス設計で許容されるよりも長く、更にダイ厚さが数百マイクロメートルの規模であるため、これも眼科用デバイスには大きすぎる。商用マイクロコントローラは眼科用電子システムの要件に合わせて具体的に適合されているものではないため、不要な機能ブロック、無駄なスペース、及び無駄な電流を含んでいる可能性があり、また必要な機能ブロックをを含んでいない可能性がある。その他の制限により、入手可能な商用マイクロコントローラ及びその他の市販の電子構成要素を、眼科用電子デバイスに利用するには、障害がある。したがって、安全で低価格であり、高信頼性、低電力消費、そして眼科レンズに組み込むことが可能なスケーラビリティを備えた、他の構成要素すべての動作を制御するシステムのニーズが存在する。

電動レンズシステムには、高い直列抵抗と低い電気容量を有する電力貯蔵デバイス（電池）が組み込まれ得る。入手可能な商用マイクロコントローラなどの先行技術の電子回路が必要とするピーク電流と平均電流は、この種の電源にとっては高すぎる。そのようなピーク電流は、電池出力電圧に許容範囲外の電圧降下をもたらし、また、そのような平均電流は、電動レンズシステムに必要な電池寿命に対して、電池充電をあまりにも急速に消耗させてしまう。

したがって、システム全体の電力消費を最小限に抑えるよう設計及び構成された、電動レンズ内に埋め込まれる、電子部品及び電子機械的又は電子化学的システムのフレキシブルな動作を提供することが可能なシステムコントローラのニーズが存在する。このシステムコントローラは、電動レンズの内外両方について、変化する条件に対応し、これにより電力消費を最小に抑えながら、機能又は性能の最適な組み合わせを提供する必要がある。加えてこのシステムコントローラは、他の必要な構成要素と共にコンタクトレンズ内に一体化できるよう、十分に小さな体積と面積を要し又は占めることが望ましい。

本発明のシステムコントローラには、可変光学眼科用レンズを制御するための電子回路と制御アルゴリズムが含まれており、上記で簡単に述べた先行技術に伴う欠点を克服する。

本発明は、電子システムを備える電動コンタクトレンズに関するものであり、可変焦点光学部品を作動させることを含む任意の数の機能を実施する。この電子システムには、１つ又は２つ以上の電池又はその他の電源と、電力管理回路と、１つ又は２つ以上のセンサと、クロック発生回路と、好適な制御アルゴリズムを実装する制御回路と、レンズ駆動回路とが含まれる。このシステムは更に、入射光又はその他の電磁波若しくは電磁場を介したまばたき検出を実施する回路を備え得る。

一態様に従って、本発明は、眼科用装置を目的とする。この眼科用装置は、眼の中又は眼の表面の少なくともいずれか一方で使用するよう構成された眼科用デバイスに組み込まれた電子システムと、その電子システムの動作を制御するために電子システムに組み込まれ、少なくとも１つの信号を受け取りかつ少なくとも１つの信号を出力するマスター状態マシンを実装するよう構成されたシステムコントローラと、その電子システムに組み込まれ、システムコントローラに動作的に関連し、かつシステムコントローラに電力を供給し、１つ又は２つ以上の電源と、クロック発生回路又は入力の１つ又は２つ以上を含む電子回路と、システムコントローラからの少なくとも１つの出力を受け取るよう構成された少なくとも１つのアクチュエータと、を含む。

システムコントローラは、一連の状態マシンを含み、システムの構成要素を制御するデジタル論理内に実装されている。システムコントローラは、電力管理回路及びクロック発生回路から、電源、バイアス、及び１つ又は２つ以上のクロック信号を受け取ることができる。システムコントローラは、デジタル論理に設計された所定の動作又はプログラムされた動作を実行する。システムコントローラは、１つ又は２つ以上のセンサから供給される１つ又は２つ以上の信号サンプル（センサ入力）を取得するよう１つ又は２つ以上のセンサをトリガすることと、プログラムされたパターンとそのセンサ入力を比較することと、システムの現在の状態及びセンサ入力又は保存されたセンサ入力に基づいて、次に取るべきアクションと次のシステム状態とを決定することと、システムを構成する他の構成要素を有効及び無効にすることと、を含む、数多くの機能を実施する。システムコントローラはまた、様々なインタフェースを介してその動作を変えるようにプログラムすることができる。

本発明のシステムコントローラは、可変光学電子コンタクトレンズを制御するための安全で低価格で信頼性の高い手段を提供し、またこの手段は電力消費率が低く、コンタクトレンズなどの眼科用デバイスに組み込むための面積、容積及び同様の条件においてスケーラブルであり、快適さ又は付け心地に顕著な影響を与えることがない。

本発明の上記に述べた特徴及び利点、並びに他の特徴及び利点は、添付の図面に示されるような以下の本発明の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかとなるであろう。
本発明による代表的な可変焦点レンズシステムのブロックダイアグラム図。 図１の可変焦点レンズシステムの統合部分のブロックダイアグラム図。 本発明のシステムコントローラのマスター状態マシンの代表的な状態移行ダイアグラム。 本発明によるクロック及びリセット発生器並びにマスター状態マシンの動作の第１の代表的シーケンスを示すタイミングダイアグラム。 本発明によるクロック及びリセット発生器並びにマスター状態マシンの動作の第２の代表的シーケンスを示すタイミングダイアグラム。 本発明による図５のクロック及びリセット発生器並びにマスター状態マシンの動作の第２の代表的シーケンスを示す、延長した時間枠でのタイミングダイアグラム。 本発明による代表的な制御システムのクロック及びリセット発生器の一部分のブロックダイアグラム。 本発明による電動コンタクトレンズのための、制御システムを含む代表的な電子部品インサートの図示。

従来のコンタクトレンズは、特定の形状を有して、上記に簡潔に示した様々な視力問題を補正する高分子構造である。高い機能性を達成するためには、様々な回路及び構成要素をこの高分子構造に一体化する必要がある。例えば、制御回路、マイクロプロセッサ、通信装置、電力供給装置、センサ、アクチュエータ、発光ダイオード、及び小型アンテナを、特注の光電子構成要素を介してコンタクトレンズ内に一体化することにより、視力を補正するだけでなく、視力を向上させ、また本明細書に説明する追加の機能性を提供し得る。電子及び／又は電動コンタクトレンズは、ズームイン及びズームアウト能力を介して、又は単にレンズの屈折能力を変更することを介して、向上された視力を提供するように設計され得る。電子及び／又は電動コンタクトレンズは、色及び分解能を向上させ、テクスチャ情報を表示し、言語をリアルタイムで字幕に翻訳し、ナビゲーションシステムからの視覚的合図を提供し、画像処理及びインターネットアクセスを提供するように設計され得る。レンズは、着用者が、暗い状況下で見ることを可能にするよう設計され得る。レンズ上の適切に設計された電子部品及び／又は電子部品の配置により、例えば、可変焦点光学レンズなしで、画像を網膜上に投影することが可能となり、新しい画像ディスプレイを提供し、また起床警告さえも提供し得る。代替的に、又はこれら若しくは同様の機能に加えて、コンタクトレンズは、着用者のバイオマーカー及び健康指標を非侵襲的に監視するための構成要素を組み込んでもよい。例えば、レンズ内に構築されたセンサは、糖尿病患者が、血液を採取する必要なしに、涙膜の構成成分を分析することによって、血糖値を把握することを可能にし得る。加えて、適切に構成されたレンズは、コレステロール、ナトリウム、及びカリウム、並びに他の生物学的マーカーのレベルを監視するためのセンサを組み込み得る。無線データ送信機に接続されたこのセンサによって、患者が検査施設に行き血液を採取するのに時間を費やす必要なしに、医師が患者の血液成分にほぼ即時にアクセスすることが可能になり得る。加えて、レンズに組み込まれたセンサを利用して、眼への入射光を検出し、周囲の光条件に対する補償を行うこと、又はまばたきのパターン判定に利用することができる。

本発明の電動又は電子コンタクトレンズは、上述した視力障害のうちの１つ又は２つ以上を有する患者の視力を補正し及び／若しくは向上させ、又は他の有用な眼科機能を実行するのに必要な要素を含む。加えて、本発明の電動又は電子コンタクトレンズは、単に正常な視力を向上させるよう使用され、又は上述した非常に様々な機能性を提供し得る。電子コンタクトレンズは、可変焦点光学レンズを含んでもよく、コンタクトレンズ内に埋め込まれた組み立て前方光学物品を含んでもよく、又は、任意の好適な機能性のための、レンズを有さずに単に埋め込まれた電子部品を含んでもよい。本発明の電子レンズは、上述したような任意の数のコンタクトレンズ内に組み込むことができる。加えて、眼内レンズも、本明細書に記述される様々な構成要素及び機能を組み込むことができる。しかしながら、説明を容易にするために、本開示は、単回使用で１日使い捨てを目的とした、視力障害の補正のための電子コンタクトレンズに焦点を合わせる。

この仕様の全体を通じて、眼科用デバイスという語が使用される。一般的な用語において、眼科用デバイスには、コンタクトレンズ、眼内レンズ、眼鏡レンズ、涙点プラグが含まれ得る。しかしながら、本発明に従い、眼科用デバイスは眼の疾患の治療、視覚の補正及び／又は強化のためのものであり、好ましくは、涙点プラグ、眼鏡レンズ、コンタクトレンズ、及び眼内レンズのうち少なくとも１つを含む。眼内レンズ（ＩＯＬ）は、眼の中にインプラントされ、水晶体の代替となるレンズである。これは白内障患者、又は単に様々な屈折誤差の治療のために利用され得る。ＩＯＬは典型的に、支持部と呼ばれるプラスチック製の側面支柱を備えた小さなプラスチックレンズから成り、この支持部が、眼の水晶体嚢内の定位置にレンズを保持する。本明細書で記述される任意の電子部品及び／又は構成要素を、コンタクトレンズと同様の方法でＩＯＬ内に組み込むことができる。涙点プラグ又はオクルーダーは、１つ又は２つ以上の疾患状態の治療のために、眼の涙点に挿入するための眼科用デバイスである。本発明はこれらのデバイスの任意のものに利用することができるが、好ましい代表的な実施形態において、本発明はコンタクトレンズ又は眼内レンズにおいて利用される。

本発明は、電子システムを含む電動眼科用レンズ又は電動コンタクトレンズを目的とし、この電子システムが、可変焦点光学部品、又は実施し得るその他無数の機能を実行するように構成されたその他のデバイスを動作させる。この電子システムには、１つ又は２つ以上の電池又はその他の電源と、電力管理回路と、１つ又は２つ以上のセンサと、クロック発生回路と、好適な制御アルゴリズムを実装する制御回路と、レンズ駆動回路とが含まれる。これらの構成要素の複雑さは、必要又は望ましいレンズ機能によって異なり得る。

本発明のシステムコントローラは、眼科用電動又は電子レンズ（例えば、遠くのものに対してズームインし、近くのものに対してズームアウトするための、可変電動光学素子又は可変焦点光学部品を備えるコンタクトレンズ）を制御するため、任意の数の入力を受け取ることができる。

システムコントローラ又は制御システムは、他のデバイス及び／又はシステムの動作を管理、命令、指示、及び／又は調整するように構成された１つ又は２つ以上のデバイスを備える。制御システムには様々な種類のものが数多くあるが、概ね大きく２つの分類又はタイプに分けられる。すなわち、論理又は逐次制御システムと、フィードバック又は線形制御システムである。論理又は逐次制御システムにおいては、命令信号が出力され、これが一連のアクチュエータを所定の順序でトリガし、１つ又は２つ以上のタスクを実行させる。フィードバック制御システムでは、１つ又は２つ以上のセンサ、制御アルゴリズム、及びアクチュエータを含む制御ループが、ある設定値又は参照値で変数を調節するように構成されている。あらゆるフィードバック制御システムにおいて、そのシステムが何をするかを知り、そのシステムがどの程度よく実行しているかを知り、及びパフォーマンス情報を利用してそのシステムを修正かつ制御することが必要となる。

基本的なフィードバック制御システムの構成要素は、下記の通り記述することができる。制御システムは、制御されるシステム又はプラントを備え、入力を受け取り出力を供給するように構成される。このプラントの出力はセンサに入力され、このセンサは、プラントの１つ又は２つ以上のパラメータを測定してフィードバック信号を供給する。このフィードバック信号は、コンパレータ又はその他の好適な手段により、入力から差し引かれて、誤差信号を生成する。この誤差信号が次にコントローラに入力され、このコントローラがプラントに対して信号を出力することにより、プラントが望ましい動作を実施する。本質的に、センサからのフィードバックは、システム全体の複雑さすべてを説明しようと試みるものであり、与えられた入力に対して望ましい結果となる出力を生成する。すべての制御システムは、特定の制御法則の範囲内で設計されており、典型的に、速度と正確さを含む様々な側面において、トレードオフの関係となる。この説明はハードウェアに限って過剰に単純化されて記述されているが、ハードウェア、ソフトウェア、又はこれらの組み合わせにおいて実装可能なフィードバック制御システムの根拠を提供するものである。

フィードバック制御システムは更に、比例コントローラ、積分コントローラ、微分コントローラ、又はこれらの組み合わせに分類され得る。比例コントローラでは、制御動作は誤差に比例する。積分コントローラでは、プラントに対する動作信号又は入力は、誤差の積分値に比例する。微分コントローラでは、プロセスの出力は、入力の変化率に比例する。制御工学分野で知られているように、それぞれのコントローラのタイプに、それぞれの利点がある。例えば、安定した状態誤差は、積分コントローラを利用したときに達成されるはずである。

上述のように、逐次コントローラでは、一連の動作が特定の順序で起こる必要がある。プロセス全体の状態がすべて既知でなければならないため、この動作は非常に複雑になり得る。逐次コントローラは一般に、電気及び／又は機械的動作を制御するためのコマンドを順次発する論理システムを備える。プログラム可能論理コントローラ及びマイクロコントローラは、逐次制御用にプログラムすることができる。

本発明のシステムコントローラは主として逐次制御システムである。ただし、このシステムコントローラ、又はこのシステムコントローラに付随するサブシステムが、センサ入力によって供給されるフィードバックに対応する機能を組み込み得ることは、当業者に理解されよう。そのような動作の例としては、電池容量の低下に対応してサブシステムのデューティサイクル又は電力レベルを変化させること、受信信号に伴う周波数に同期させて内部クロック周波数を調節すること、及び／又は涙膜成分の測定に対応して眼の涙膜に送達される治療薬又は薬剤の量を調節することが含まれ得る。

上述のように、本発明は、これらの構成要素の１つであるシステムコントローラを備えた、数多くの構成要素を含んだコンタクトレンズに関する。デバイスの適切な組み合わせは、潜在的に無制限の機能性を提供し得るが、コンタクトレンズを構成する光学グレードのポリマー片の上に付加的な構成要素を組み込むことに関連して、多数の困難が存在する。一般に、それらの構成要素をレンズ上に直接製造すること、及び、非平面状の表面に平面状のデバイスを装着及び相互接続することは、多数の理由により困難である。また、縮尺に合わせて製造し形成することも困難である。レンズ上又はレンズ内に配置される構成要素は、眼上の液体環境から保護されると共に、小型化され、かつわずか１．５平方センチメートル（より具体的には、１７平方ミリメートル）の透明ポリマー上に一体化される必要がある。追加の構成要素による付加的な厚さを有するコンタクトレンズを、着用者にとって心地よく安全なものにすることも困難である。

本明細書に述べられている寸法要件に加え、コンタクトレンズに組み込まれる電子デバイスは、本質的に水性の環境において使用するため、頑丈で安全でなければならない。涙はｐＨ約７．４であり、水が９８．２％、固形分が１．８％で、これにはナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、塩化物などの電解質が含まれる。これは、電子部品を導入するには若干厳しい環境である。また、コンタクトレンズは一般に、少なくとも４時間、好ましくは８時間以上着用するように設計される。電子部品にはエネルギーが必要である。このエネルギーは、組み込み電池を含め、任意の数の供給源から供給され得る。電池及びその他の潜在的なエネルギー源は、その寸法では限定的な容量しか持ち得ないため、システムコントローラを含めすべての電子部品は、消費電力ができる限り小さくなるよう好ましく設計され、これによってコンタクトレンズは、所定の期間（貯蔵寿命）無使用で置かれた後であっても、所定の時間着用することができる。最後に、電子コンタクトレンズのすべての構成要素は生体適合性でかつ安全でなければならない。したがって、コンタクトレンズに組み込まれるすべての電子部品は、上述の設計パラメータ（すなわち寸法、水溶液中での耐久性、電力消費、及び安全性）のすべてに適合していなければならない。本発明のシステムコントローラは、これらの要件すべてに適合する。

ここで図１を参照すると、電源１００、電力管理回路１０２、システムコントローラ１０４、Ｈブリッジコントローラ１０６、電圧増倍器１０８、Ｈブリッジ１１０、可変焦点光学部分１１２、センサ１１４、及びセンサ信号経路１１６を含む、可変焦点眼科用電子レンズシステムの代表的な実施形態が図示されている。上述の各構成要素の詳細が順に説明される。本明細書で記述される各構成要素は、任意の数の好適な方法で実装され得ることに留意することが重要である。また、機能ブロックは図解目的のために図示及び説明されているものであり、本明細書に記述されている眼科用電子又は電動デバイスに使用するために特に制御、設計及び構成されたシステムの基本的原理に依存したまま、機能ブロックを追加、削除、又は置換することができる点にも留意することが重要である。

可変焦点眼科用光学部品、又は単に可変焦点光学部品１１２は、可変焦点光学部品１１２の２つの電気端子に対して印加される活性化電圧に対応して、焦点特性（例えば、焦点距離）を変化させる液体レンズであり得る。ただし、この可変焦点レンズ光学部品は、例えば、発光ダイオード又はマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）などの任意の好適な制御可能光学デバイスを含み得る。この２つの端子は、可変焦点光学部品１１２の前側端子と後側端子に対応し得る。活性化電圧は、電源から供給できる電圧よりも顕著に大きな電圧であってもよく、したがって本明細書に記述されるように他の回路が必要となる。電源１００は、電池、エネルギーハーベスタ、コンデンサ、又は、使用可能な作動電圧で電流を供給する任意の類似のデバイスを含み得る。いくつかの代表的な実施形態において、電源１００は外部電源に接続された誘導電源であり得る。電力管理回路１０２は、１つ又は２つ以上の電圧レギュレータ、コンバータ、リファレンス電圧又はリファレンス電流を含み得、選択的な切り替えにより可変焦点眼科用レンズシステム内の他の構成要素に電力を供給することができる。システムコントローラ１０４は、内部アルゴリズムに基づいて、又はユーザによる外部制御により（インタフェース図示なし）、電圧増倍器１０８とＨブリッジコントローラ１０６へと制御信号を供給する。電圧増倍器１０８は電源１００から低い作動電圧の電流を受け取り、可変焦点光学部品１１２の活性化電圧値又はそれを超える高電圧出力を生成して、可変焦点光学部品１１２の状態を変化させる。電圧増倍器１０８は更にオシレータを備えてもよく、又はシステムコントローラ１０４からのクロック信号を受信してもよい。この代表的な実施形態において、電圧増倍器出力がＨブリッジスイッチ回路１１０を介して可変焦点光学部品１１２に連結されており、このＨブリッジスイッチは、周知の電子システム機能ブロックである。Ｈブリッジスイッチ回路１１０は、電圧増倍器１０８と可変焦点光学部品１１２の各端子との間、及び可変焦点光学部品１１２の各端子とシステムの電気アースとの間のスイッチを備える。Ｈブリッジスイッチ回路１１０の状態は、１つ又は２つ以上のシステムコントローラ１０４制御信号によって決定される。Ｈブリッジスイッチ回路１１０は、例えば、可変焦点光学部品１１２の端子が開状態、アースに短絡、又は一方の端子が電圧増倍器１０８に連結されもう一方の端子がアースに連結されて電源が印加され、又は逆の極性で電源が印加されるなど、１つ又は２つ以上の状態に構成され得る。システムコントローラ１０４は、例えば、１つの状態で電源が印加される時間が長すぎると生じ得る過剰な電荷トラップを回避するために、Ｈブリッジスイッチ回路１１０の出力の極性を周期的に反転させ、可変焦点光学部品１１２のパフォーマンスを最適にすることができる。

センサ１１４は、光ダイオードなどの光センサ、感圧センサ、静電容量タッチセンサ、又は高周波若しくは低周波電磁信号を検出する電磁コイル若しくはアンテナであり得る。センサ１１４はまた、眼瞼位置センサ、瞳孔収縮センサ、後ろ向き瞳孔拡大センサ、発光受光ペアセンサ、まばたき検出センサ、又は任意のセンサの組み合わせを含み得る。センサ信号経路１１６は、センサ１１４の出力信号を受け取るよう適合された回路を含み、この信号を処理して、望ましいノイズフィルタリング、増幅、又はその他の改変を達成し、調整されたセンサ信号をシステムコントローラ１０４へと供給する。センサ信号経路１１６はシステムコントローラ１０４によって制御され、これによって、回路の有効若しくは無効を切り替え、又は、例えば、ゲイン若しくは１つ又は２つ以上のフィルタ角周波数などの回路動作パラメータを改変することができる。いくつかの代表的な実施形態において、可変焦点眼科用電子レンズシステムは、類似又は異なるタイプの１つ又は２つ以上のセンサ又はセンサ信号経路を含み得る。

システムコントローラ１０４は、システムの構成要素を制御するデジタル制御システムを備え、例えば、マイクロコントローラ動作ソフトウェア、又は１つ又は２つ以上の状態マシンなどのデジタル論理として実装することができる。システムコントローラ１０４がどのように実装されているかに関わらず、コンタクトレンズの一部として組み込まれるように設計及び構成されていることに留意することが重要である。したがって、寸法と電力消費が重要な因子となる。システムコントローラ１０４は更に、制御システムの周期的タイミング信号を発生するためのオシレータを備え得る。システムコントローラ１０４は電力管理回路１０２からバイアスと電力を受け取り、クロック発生回路からクロックパルスを受け取る（後述の図２に示されている低周波オシレータ２０２）。低周波オシレータ２０２は独立型であってもよく、又は電力管理回路１０２の一部であってもよい。システムコントローラ１０４は、デジタル論理に設計された所定の動作又はプログラムされた動作を実行する。システムコントローラ１０４は、１つ又は２つ以上のセンサをトリガして１つ又は２つ以上のサンプルを取得し、センサ入力を保存し、センサ入力をプログラム済みパターンと比較し、システムの現在状況に基づいて次に取るべきアクションを決定し、システムを構成している他の構成要素を有効及び無効にするなど、数多くの機能を実施する。システムコントローラ１０４はまた、様々なインタフェースを介してその動作を変えるようにプログラムすることができる。

図２は、半導体ダイに共に組み込むことができるシステムコントローラ及び関連回路について特に詳しく記述された、可変焦点眼科用電子レンズシステムの統合部分の代表的実施形態を示す。可変焦点レンズサブシステムの統合部分は、電圧レギュレータｖｒｅｇ ２００、低周波オシレータ２０２、レギュレータに基づく電源投入リセット回路ｖｄｄ＿ｐｏｒ ２０４、及びシステムコントローラ２０６を備える。

電圧レギュレータｖｒｅｇ ２００は、電池又は外部電源に連結され、システム内の他の回路、特にシステムコントローラ２０６に、調圧済み電圧を供給する。レギュレータに基づく電源投入リセット回路ｖｄｄ＿ｐｏｒ ２０４は、レギュレータ出力に連結され、リセット信号ｐｏｒ＿ｒｓｔ＿ｎ（レギュレータ出力電圧が使用可能な電圧レベルで安定であることを示す）を供給し、システムコントローラ２０６内のレジスタが、システム起動時に望ましいデフォルト起動状態にリセットされていることを確認する。低周波オシレータ２０２は、低周波クロック信号ｌｆ＿ｃｌｋをシステムコントローラ２０６に供給する。

この代表的な実施形態において、システムコントローラ２０６は、マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８、クロック及びリセット発生器ｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｇｅｎ ２１０、デジタルまばたき検出サブシステムｄｉｇ＿ｂｌｉｎｋ ２１４、デジタル受信器サブシステムｄｉｇ＿ｒｘ ２１６、及び電荷ポンプ電圧増倍器コントローラｄｉｇ＿ｃｐ ２１８を含む。クロック及びリセット発生器ｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｇｅｎ ２１０は低周波クロック信号ｌｆ＿ｃｌｋと、レギュレータに基づく電源投入リセット信号ｐｏｒ＿ｒｓｔ＿ｎを受け取り、システムコントローラ２０６内のブロックにクロックとリセットを供給する。マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８は、状態マシンクロック信号ｓｍｃｌｋと状態マシンリセット信号ｓｍｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｎを、クロック及びリセット発生器ｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｇｅｎ ２１０から受け取る。マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８は、所定の状態シーケンスに沿って進行する状態マシンを含み、この所定の状態シーケンスにおいて、システムコントローラ２０６内の他のブロックが活性化又は有効にされる。デジタルまばたき検出サブシステムｄｉｇ＿ｂｌｉｎｋ ２１４は、状態マシン及び追加の論理を含み得、有効化信号ａｄｃ＿ｅｎをアナログ−デジタルコンバータに供給し、信号のデータａｄｃ＿ｄａｔａをアナログ−デジタルコンバータから受信することができる。デジタル受信器サブシステムｄｉｇ＿ｒｘ ２１６は、状態マシン及び追加の論理を含み得、有効化信号ｒｘ＿ｅｎを受信器サブシステムに供給し、信号のデータｒｘ＿ｄａｔａを受信器サブシステムから受信することができる。受信器サブシステムは、可変焦点レンズシステム内に別のセンサ及びセンサ信号経路を含み得る。電荷ポンプ電圧増倍器コントローラｄｉｇ＿ｃｐ ２１８は、システムコントローラ２０６内にラッチ又は保存された値をデコードするための論理を含み得、電荷ポンプ有効化信号ｃｐ＿ａｎ＿ｅｎを電荷ポンプ電圧増倍器に供給することができる。図２に示されている信号及びブロックの挙動は、続く図３及び図４の記述において更に説明される。

図３は、図２に示した代表的な実施形態のマスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８の状態遷移ダイアグラムを示す。初期状態はＩＤＬＥ状態３００であり、ここで、クロック及びリセット発生器ｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｇｅｎ ２１０からのリセット信号ｓｍｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｎがアサートすると、マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８が配置される（この代表的実施形態ではアクティブロー）。ｓｍｃｌｋの最初の状態マシンクロックエッジで、マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８はＢＬＩＮＫ状態３０２へと遷移し、この間にデジタルまばたき検出サブシステムｄｉｇ＿ｂｌｉｎｋ ２１４は信号ｂｌ＿ｇｏのアサートによって有効化される。マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８は、まばたき検出動作が完了したことを示すまばたき完了信号ｂｌ＿ｄｏｎｅをデジタルまばたき検出サブシステムｄｉｇ＿ｂｌｉｎｋ ２１４から受け取るまでの間、ＢＬＩＮＫ状態３０２のままである。マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８は、デジタルまばたき検出サブシステムｄｉｇ＿ｂｌｉｎｋ ２１４の出力値を、更なるデコード又は処理のためにレジスタにラッチ又は保存することができる。出力値は、所定又はプログラム可能なパターンに合致した光レベル又はまばたきパターンのシーケンス検出に基づいて行なわれ得る。１つのパターンを使用して、電荷ポンプ電圧増倍器コントローラｄｉｇ＿ｃｐの状態を更新することができる。別のパターンを使用して、通信受信モードに切り替えることができる。次にマスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８が、ＢＬＩＮＫ状態３０２にラッチされた値に基づいた条件付きで、ＲＸ状態３０４又はＣＰ状態３０６のいずれかに遷移する。これはダイアグラム中に、「Ｒｘシーケンスが検出された場合」及び「ＲＸシーケンスが検出されなかった場合」としてラベル付けされて示されている。ＲＸ状態３０４において、マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８は、信号ｒｘ＿ｇｏのアサートにより、デジタル受信器サブシステムｄｉｇ＿ｒｘ ２１６を有効にする。デジタル受信器サブシステムｄｉｇ＿ｒｘ ２１６は、ｒｘ＿ｅｎ及びｒｘ＿ｄａｔａ信号を使用して、通信受信器を有効にし、通信受信器からデータを受け取ることができる。ＲＸ状態３０４において、マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８は同様に、受信器動作が完了したことを示すｒｘ＿ｄｏｎｅ信号を受け取るまでの間、この状態で待機又は保持し、信号を受け取ってからＣＰ状態３０６に遷移する。ＣＰ状態３０６において、マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８は信号ｃｐ＿ｇｏのアサートによって電荷ポンプ電圧増倍器コントローラｄｉｇ＿ｃｐ ２１８を有効にし、デジタルまばたき検出サブシステムｄｉｇ＿ｂｌｉｎｋ ２１４又は通信受信器動作ｄｉｇ＿ｒｘ ２１６のいずれかから受け取った値に基づいて、電荷ポンプ制御信号の状態を更新する。この代表的な実施形態において、電荷ポンプ電圧増倍器コントローラｄｉｇ＿ｃｐ ２１８は、更新するのにクロックサイクル１回のみを必要とするため、対応する完了信号は必要ない。マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８は次に、ＤＯＮＥ状態３０８に遷移し、ｓｍｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｎ信号によってリセットされるまでその状態に留まる。

図４は、本発明の代表的な一実施形態による、クロック及びリセット発生器ｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｇｅｎ ２１０及びマスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８の数多くの可能な動作シーケンスの１つを図示したタイミングダイアグラムである。いちばん上に示されているのは電池電圧Ｖｂａｔで、電池又は電源がシステムに連結された時に斜めに上昇して安定値になり、次に電圧レギュレータｖｒｅｇ ２００出力信号Ｖｄｄ又はＶｒｅｇが斜めに上昇して安定値になる。次に、Ｖｒｅｇ電圧に対応して、レギュレータによる電源投入リセットｖｄｄ＿ｐｏｒ ２０４の出力信号ｐｏｒ＿ｒｓｔ＿ｎがアサートし、アクティブローになり、次にデアサートし、アクティブハイになる。低周波オシレータが起動し、ここではＩｆ＿ｃｌｋ信号として２．５６ｋＨｚの低い値である。周期的に内部覚醒信号ｗａｋｅ＿ｄｅｔが生成され（ここでは０．１秒間隔）、この時点でマスター状態マシンのリセットｓｍｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｎがデアサートされ、状態マシンクロックがｓｍｃｌｋ信号に供給される。マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８は初期ＩＤＬＥ状態３００からＢＬＩＮＫ状態３０２へと遷移し、有効化信号ｂｌ＿ｇｏをアサートしてデジタルまばたき検出サブシステムｄｉｇ＿ｂｌｉｎｋ ２１４と、ｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｇｅｎブロック２１０によってデジタルまばたき検出サブシステムｄｉｇ＿ｂｌｉｎｋ ２１４に供給されたクロックデジタルｂｌ＿ｃｌｋを有効にする。デジタルまばたき検出サブシステムｄｉｇ＿ｂｌｉｎｋ ２１４は信号ａｄｃ＿ｅｎをアサートし、デジタルまばたき検出サブシステムｄｉｇ＿ｂｌｉｎｋ ２１４に関連付けられているアナログ−デジタルコンバータを有効にする。ａｄｃ＿ｅｎ信号を使用して、更に、アナログ−デジタルコンバータがアクティブの時にアナログ−デジタルコンバータの高周波クロック源を有効にすることができる。デジタルまばたき検出サブシステムｄｉｇ＿ｂｌｉｎｋ ２１４の動作が完了すると、ｂｌ＿ｄｏｎｅ信号がアサートしてマスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８に提示され、このマスター状態マシンがｂｌ＿ｇｏ信号を使用不能にし、これによりｄｉｇ＿ｂｌｉｎｋ状態マシン２１４をリセットする。この代表的なタイミングダイアグラムに示されているように、システムは次にＣＰ状態３０６に遷移し、ここで電荷ポンプ電圧増倍器コントローラｄｉｇ＿ｃｐ ２１８が有効化信号ｃｐ＿ａｎ＿ｅｎをアサートさせて、電荷ポンプ電圧増倍器１０８（図１）をアクティブにする。ｃｐ＿ａｎ＿ｅｎ信号は、更に、電荷ポンプ電圧増倍器１０８がアクティブのときに、電荷ポンプ電圧増倍器１０８の高周波クロック源を有効にするのに使用できる。マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８は次に、ＤＯＮＥ状態３０８に遷移し、この時点でクロック及びリセット発生器ｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｇｅｎ ２１０は再びリセット信号ｓｍｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｎをアサートさせ、状態マシンクロックｓｍｃｌｋを無効にする。図示のシーケンスは、必要なときのみにクロック及び回路を有効にすることによって全体のシステム電力消費を低減する動作を含んでいることが理解されよう。

図５は、本発明の代表的なシステムによる、クロック信号の更なる詳細を備えた、クロック及びリセット発生器ｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｇｅｎ ２１０並びにマスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８の数多くの可能な動作シーケンスの別の１つを図示したタイミングダイアグラムである。ＢＬＩＮＫ状態３０２において、デジタルまばたき検出サブシステムｄｉｇ＿ｂｌｉｎｋ ２１４により供給されたａｄｃ＿ｅｎ信号を、センサ信号経路に使用して、高速アナログ−デジタルコンバータクロックａｄｃ＿ｃｌｋを有効にすることができる。高速アナログ−デジタルコンバータａｄｃ＿ｃｌｋは、関連するセンサ信号経路に、又はクロック及びリセット発生器に、実装することができる。また図５に図示されているのは、アナログ−デジタルコンバータによって供給された、動作の完了を示すａｄｃ＿ｄｏｎｅ信号である。本発明のいくつかの代表的な実施形態において、高速アナログ−デジタルコンバータクロックａｄｃ＿ｃｌｋは、ａｄｃ＿ｄｏｎｅ信号がアサートしたときに無効又はゲートオフにすることができる。このようにして、高速アナログ−デジタルコンバータクロックａｄｃ＿ｃｌｋは、アナログ−デジタルコンバータがその動作を完了するのに必要な最小限の時間の間、アクティブになる。ａｄｃ＿ｄｏｎｅ信号によるゲートが、状態マシンクロックｓｍｃｌｋの次のエッジが来るよりもずっと前に、高速アナログ−デジタルコンバータクロックａｄｃ＿ｃｌｋを無効にするために供給されることが理解されよう。例えば、いくつかの代表的な実施形態において、高速アナログ−デジタルコンバータは、１ＭＨｚの速度で高速アナログ−デジタルコンバータクロックａｄｃ＿ｃｌｋが１３サイクルで動作を完了する。よって、高速アナログ−デジタルコンバータクロックａｄｃ＿ｃｌｋは、有効にされてから１３マイクロ秒以内に無効にすることができ、これは、２．５６ｋＨｚ又は３９０マイクロ秒クロック速度で動作するマスター状態マシンによって有効にされてから比較的短時間である。この挙動は、信号ａｄｃ＿ｅｎ、ａｄｃ＿ｄｏｎｅ及びａｄｃ＿ｃｌｋの丸で囲んだ部分５０１に図示されていて、この中で、ａｄｃ＿ｃｌｋ信号は、ａｄｃ＿ｅｎがアサートしているとき（アクティブハイのとき）に有効になり、ａｄｃ＿ｄｏｎｅがアサートしているとき（アクティブハイのとき）に無効になっていることがわかる。いくつかの更なる代表的な実施形態において、コンパレータ、リファレンス電圧又は電流源などのアナログ回路は、ａｄｃ＿ｄｏｎｅ信号のアサートにより無効にすることができる。これらの回路は、システム全体の望ましい平均電流消費に比べ、比較的大きな電流を消費スル可能性があるため、これらをできるだけ早く無効にすることによって、レンズシステムの全体的な電力消費を大幅に低減することが可能になる。同様に、デジタル電荷ポンプ電圧増倍器コントローラｄｉｇ＿ｃｐ ２１８により供給される電荷ポンプ有効化信号ｃｐ＿ａｎ＿ｅｎは、電荷ポンプ電圧増倍器に使用して、高速電荷ポンプクロックｃｐ＿ａｎ＿ｃｌｋを有効にすることができる。このようにして、低周波クロックｌｆ＿ｃｌｋで動作しているシステムコントローラは、必要な時に限り可変焦点レンズシステムの高速クロックを有効又は無効にすることができるため、電力消費を最小限に抑えることができる。マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８によって制御されているアクティブ動作には、２．５６ｋＨｚで約８クロックサイクル、又は３．１２５ｍｓ（それぞれ０．１ｓ間隔、デューティサイクル比１：３２）が必要であり、これにより各サブシステムのアクティブ時間を最小限に抑えることで、全体に低い電力消費が得られることが理解されよう。

図５Ａは、図５に示したものと同様の一連のシーケンス及び動作の図解であり、電源を入れた後、０．１秒の間隔全体が見えるように、長い時間尺度で表わしている。最初の覚醒シーケンスは、クロック及びリセット発生器がマスター状態マシンリセットｓｍｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｎをアサートした時に開始し、ｓｍｃｌｋ信号に状態マシンクロックを供給する。システムコントローラ状態マシンは、図５に示す動作シーケンスに従い、３．１２５ミリ秒（ｍｓ）の持続時間Ｔａｃｔｉｖｅ以内に動作が完了する。図から明らかなように、０．１秒間隔のＴｗａｋｅの残り期間において、アクティブ回路は、電圧レギュレータ、低周波クロック、及びカウンタのみである。第２の覚醒シーケンスは、クロック及びリセット発生器がマスター状態マシンリセットｓｍｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｎをデアサートした時、間隔Ｔｗａｋｅの終わり時点で始まり、ｓｍｃｌｋ信号に状態マシンクロックを供給する。

図６は、クロック及びリセット発生器ｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｇｅｎ ２１０の一部分の代表的な実施形態を示す。クロック及びリセット発生器ｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｇｅｎ ２１０には、覚醒カウンタ６００、覚醒検出回路６０２、ｇｏレジスタ６０４、状態マシン有効化レジスタ６０６、及び状態マシンクロックゲート６０８が含まれる。マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８がＩＤＬＥ状態３００にあるとき、低周波クロックｌｆ＿ｃｌｋと覚醒カウンタ６００のみがアクティブである。低周波クロックｌｆ＿ｃｌｋが２５６サイクル経過するたびに、覚醒カウンタ６００は、覚醒検出回路６０２から供給される覚醒信号をアサートする。覚醒検出回路６０２は、覚醒がアサートされた後、低周波クロックｌｆ＿ｃｌｋの１サイクルの間、覚醒検出信号ｗａｋｅ＿ｄｅｔをアサートさせる。覚醒カウンタ６００は、例えば、回路がカスタム論理で設計されている場合、覚醒検出回路６０２での保持時間を最大にするように、低周波クロックｌｆ＿ｃｌｋの降下エッジで動作し得る。覚醒検出信号ｗａｋｅ＿ｄｅｔは、ｇｏレジスタ６０４に供給される。ｇｏレジスタ６０４は、ｗａｋｅ＿ｄｅｔがアサートしている時にｇｏ信号をアサートさせ、マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８によって供給される完了信号がアサートするまで、ｇｏ信号のアサート状態又はアクティブ状態を維持する。ｇｏ信号は、状態マシン有効化レジスタ６０６に供給される。状態マシン有効化レジスタ６０６は、低周波クロック信号ｌｆ＿ｃｌｋの降下エッジで、状態マシンリセット信号ｓｍｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｎをアサートする。状態マシンリセット信号ｓｍｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｎは、マスター状態マシンｍａｓｔｅｒ＿ｆｓｍ ２０８と状態マシンクロックゲート６０８に供給される。状態マシンクロックゲート６０８は、ｓｍｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｎがデアサートされたときに、低周波クロックｌｆ＿ｃｌｋに基づいて状態マシンクロックｓｍｃｌｋを供給する。図示されている代表的な実施形態において、ｓｍｃｌｋ＿ｒｓｔ＿ｎ信号はアクティブローにアサートし、デアサートされて高レベルになる。図示のように、状態マシンクロックゲート６０８は、ＡＮＤゲートとして実装されてもよい。

まばたき検出サブシステム、デジタル受信器サブシステム、電荷ポンプ電圧増倍器サブシステム、及びその他のサブシステムのための有効化及びクロックゲート回路は、状態マシン有効化レジスタ６０６及び状態マシンクロックゲート６０８と同様の方法で実装することができる。このようにして、リセット、有効化、及びクロックは、異常のない状態で生成され、必要な時にのみクロック及びサブシステムを有効にすることによって、電力消費を最小限にすることができる。

マスター状態マシン、デジタルサブシステム状態マシン、並びにクロック及びリセット発生回路は、論理ゲートとフリップフロップの小さな組合せで構築することができる。同様に、本発明のシステムコントローラは、シリコン半導体集積回路ダイ上の相補形金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）論理回路を用いて、非常に小さな面積内に実装されてもよい。よって、本発明のシステムコントローラは、眼科用レンズの全体的寸法及び電池寿命の要件に適合する、最小限に抑えた電力消費と小さな面積及び容積を提供するような方法で、眼科用レンズ内の電子システムにフレキシブルな制御を提供する望ましい機能性をもたらす。

システムコントローラの論理機能は、当該技術分野において周知のように、有限状態マシンを含む逐次デジタル論理において実装することができる。例えばマイクロコントローラで実行されるソフトウェア中のいくつかのアルゴリズム及び機能を実装するなど、別の実施形態も可能であることが理解されよう。また、異なるタイプのセンサ、異なる検出アルゴリズム、ソフトウェアとハードウェアの異なるパーティショニング、及び１つ又は２つ以上の集積回路を使用するなど、システムのバリエーションも可能であることが理解されよう。代表的な一実施形態において、システムコントローラは単一のシリコンＣＭＯＳ集積回路ダイに完全に組み込まれる。

ここで図７を参照すると、本発明の代表的な実施形態による制御システムを備えた、電子インサートを備えた代表的なコンタクトレンズが図示されている。代表的なコンタクトレンズ７００は、電子インサート７０４を備える軟質プラスチック部分７０２を備える。この電子インサート７０４は、例えば、アクチベーションに応じて近く又は遠くに焦点を合わせることで、本明細書で記述される電子部品により有効にされ又は制御されるレンズ７０６を含む。回路７０８はインサート７０４上に取り付けられ、１本又は２本以上の電子相互接続線７１２を介して、電源７１０（電池など）に接続される。電子相互接続線７１２を介して、追加の回路も接続することができる。回路７０８には、１つ又は２つ以上のセンサ７１４など、本明細書に記述されている任意の構成要素を含めることができる。

代表的な一実施形態において、電子部品及び電子相互接続は、コンタクトレンズのオプティカルゾーン内ではなく、周辺部に形成される。別の代表的な一実施形態に従い、電子部品の配置は、コンタクトレンズの周辺部に限定する必要はないことに留意することが重要である。本明細書に記述されているすべての電子部品構成要素は、薄膜テクノロジー及び／又は透明材料を利用して製造することができる。これらの技術が利用された場合、電子部品構成要素は、光学機能と両立する限り、任意の好適な場所に配置することができる。

本明細書に図示及び説明した実施形態は、最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるが、当業者であれば、本明細書に説明及び図示した特定の設計及び方法からの変更はそれ自体当業者にとって自明であり、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく使用できることは明らかであろう。本発明は、記載及び例示した特定の構成に限定されないものであるが、添付の特許請求の範囲内に含まれ得るすべての変更例と整合するように構成されるべきである。

〔実施の態様〕
（１） 眼の中又は眼の表面上の少なくともいずれか一方で使用するように構成された眼科用デバイスに組み込まれた電子システムと、
前記電子システムの動作を制御するために前記電子システムに組み込まれ、少なくとも１つの信号を受け取り、かつ少なくとも１つの信号を出力するマスター状態マシンを実装するように構成されたシステムコントローラと、
前記電子システムに組み込まれ、前記システムコントローラに動作的に関連し、かつ前記システムコントローラに電力を供給し、１つ又は２つ以上の電源と、クロック発生回路又は入力の１つ又は２つ以上とを含む電子回路と、
前記システムコントローラからの前記少なくとも１つの出力を受け取るように構成された少なくとも１つのアクチュエータと、を含む、眼科用装置。
（２） 前記眼科用デバイスがコンタクトレンズを備える、実施態様１に記載の眼科用装置。
（３） 前記コンタクトレンズがソフトコンタクトレンズを備える、実施態様２に記載の眼科用装置。
（４） 前記コンタクトレンズがソフト／ハードハイブリッドコンタクトレンズを備える、実施態様２に記載の眼科用装置。
（５） 前記眼科用デバイスが眼内レンズを備える、実施態様１に記載の眼科用装置。

（６） 前記眼科用デバイスが涙点プラグを備える、実施態様１に記載の眼科用装置。
（７） 前記マスター状態マシンがハードウェア内に実装されている、実施態様１に記載の眼科用装置。
（８） 前記マスター状態マシンがソフトウェア内に実装されている、実施態様１に記載の眼科用装置。
（９） 前記マスター状態マシンが、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせ内に実装されている、実施態様１に記載の眼科用装置。
（１０） 前記システムコントローラが１つ又は２つ以上のサブシステムを備える、実施態様１に記載の眼科用装置。

（１１） 前記１つ又は２つ以上のサブシステムが、クロック及びリセット発生器サブシステムを備える、実施態様１０に記載の眼科用装置。
（１２） 前記１つ又は２つ以上のサブシステムが、デジタルまばたき検出サブシステムを備える、実施態様１０に記載の眼科用装置。
（１３） 前記１つ又は２つ以上のサブシステムが、デジタル受信器サブシステムを備える、実施態様１０に記載の眼科用装置。
（１４） 前記１つ又は２つ以上のサブシステムが、電荷ポンプ電圧増倍器コントローラサブシステムを備える、実施態様１０に記載の眼科用装置。
（１５） 前記クロック及びリセット発生器サブシステムと組み合わせた前記マスター状態マシンが、前記サブシステムの１つ又は２つ以上に対して有効化信号及びクロック信号を供給してこれらを逐次作動し、動作の完了時に作動停止することによって、電力消費を最小限に抑えるように構成されている、実施態様１１に記載の眼科用装置。

（１６） 前記クロック及びリセット発生器サブシステムが、低周波クロック源及びカウンタを含む、実施態様１１に記載の眼科用装置。
（１７） 前記システムコントローラが、リセット時、起動時、及び／又はサンプリングと作動アクションとの間のアクティブ状態において、前記低周波クロック源及びカウンタのみを有するように構成されている、実施態様１６に記載の眼科用装置。
（１８） 前記クロック及びリセット発生器回路が、前記マスター状態マシンに対し状態マシンクロック及び状態マシンリセットを供給し、周期的に前記マスター状態マシンを作動するように構成されている、実施態様１１に記載の眼科用装置。
（１９） 第１センサ及び第１センサ信号経路を更に含み、前記マスター状態マシンが前記第１センサ及び前記第１センサ信号経路を周期的に有効にし、値又は値のシーケンスを有するセンサ信号を受け取るように構成され、作動期間が、前記第１センサ及び前記第１センサ信号経路の既定のサンプルレートに対応している、実施態様１に記載の眼科用装置。
（２０） 第２センサ及び第２センサ信号経路を更に含み、前記マスター状態マシンが、前記第１センサ及び前記第１センサ信号経路からの固有な既定の値又は固有な既定の値シーケンスを検出すると、前記第２センサ及び前記第２センサ信号経路を有効にするように構成されている、実施態様１９に記載の眼科用装置。

（２１） 前記第１センサ及び前記第１センサ信号経路が、光センサ及び光センサ信号経路を含み、前記センサ信号が、前記光センサに対する入射光レベルを示す値を含む、実施態様２０に記載の眼科用装置。
（２２） 前記既定の値シーケンスが、まばたきパターンを示す、実施態様２１に記載の眼科用装置。
（２３） 前記マスター状態マシンが、第１のまばたきパターンの検出時に、レンズ駆動装置を有効にする、実施態様２２に記載の眼科用装置。
（２４） 前記マスター状態マシンが、第２のまばたきパターンの検出時に、光受信器又は電磁受信器の少なくとも一方を有効にする、実施態様２３に記載の眼科用装置。
（２５） 前記電子システムが更に、動作の完了を示す「完了」信号を前記マスター状態マシンに供給するように構成された高速クロックを有するサブシステムを備える、実施態様２４に記載の眼科用装置。

（２６） 前記サブシステムがその動作を完了した時に、前記高速クロックの信号が前記サブシステムによって無効にされる、実施態様２５に記載の眼科用装置。
（２７） 前記電子回路が更に電力管理回路を備える、実施態様１に記載の眼科用装置。
（２８） 前記電子回路が更に１つ又は２つ以上の高電圧発生器を備える、実施態様１に記載の眼科用装置。
（２９） 前記電子回路が更に１つ又は２つ以上のスイッチ回路を備える、実施態様１に記載の眼科用装置。
（３０） 前記電子回路が更に１つ又は２つ以上のセンサを備える、実施態様１に記載の眼科用装置。

Claims (24)

1. 眼科用デバイスであって、中心に可変焦点レンズを含む電子部品インサートを有する軟質プラスチック部分を備える、眼科用デバイスと、
   前記眼科用デバイスに組み込まれ、眼の中又は眼の表面上の少なくともいずれか一方で使用するように構成された電子システムであって、前記可変焦点レンズの周りの前記電子部品インサートに取り付けられた電子システムと、
   前記電子システムの動作を制御するために前記電子システムに組み込まれ、マスター状態マシンクロック信号を受け取り、かつ少なくとも１つの信号を出力するマスター状態マシンを実装するように構成されたシステムコントローラであって、当該システムコントローラは、クロック及びリセット発生器サブシステムと、前記電子システムの電子部品を制御するサブシステム状態マシンを実装するように構成された少なくとも１つのサブシステムと含むシステムコントローラにおいて、
   前記マスター状態マシンが、所定の状態シーケンスに沿って進行し、
   前記クロック及びリセット発生器サブシステムとマスター状態マシンが相互に動作して、電力消費を減少させるために、状態マシンクロック信号と、前記少なくとも１つのサブシステムを有効化しついで前記少なくとも１つのサブシステムの動作の完了時において前記少なくとも1つのサブシステムを無効化するために動作し得る有効化信号とを供給し、
   前記サブシステムクロック信号が、前記マスター状態マシンクロック信号より高周波である、
   システムコントローラと、
   前記電子システムに組み込まれ、前記システムコントローラに動作的に関連し、かつ前記システムコントローラに電力を供給し、１つ又は２つ以上の電源と、クロック発生回路又は入力の１つ又は２つ以上とを含む電子回路と、
   前記可変焦点レンズの動作を制御するために、前記システムコントローラからの前記少なくとも１つの出力を受け取るように構成された少なくとも１つのアクチュエータと、を含む、眼科用装置。
2. 前記眼科用デバイスがコンタクトレンズを備える、請求項１に記載の眼科用装置。
3. 前記コンタクトレンズがソフトコンタクトレンズを備える、請求項２に記載の眼科用装置。
4. 前記マスター状態マシンがハードウェア内に実装されている、請求項１に記載の眼科用装置。
5. 前記マスター状態マシンがソフトウェア内に実装されている、請求項１に記載の眼科用装置。
6. 前記マスター状態マシンが、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせ内に実装されている、請求項１に記載の眼科用装置。
7. 前記クロック及びリセット発生器サブシステムが、低周波クロック源及びカウンタを含む、請求項１に記載の眼科用装置。
8. 前記システムコントローラが、リセット時、起動時、及び／又はサンプリングと作動アクションとの間のアクティブ状態において、前記低周波クロック源及びカウンタのみを有するように構成されている、請求項７に記載の眼科用装置。
9. 前記クロック及びリセット発生器回路が、前記マスター状態マシンに対し状態マシンクロック及び状態マシンリセットを供給し、周期的に前記マスター状態マシンを作動するように構成されている、請求項１に記載の眼科用装置。
10. 第１センサ及び第１センサ信号経路を更に含み、前記マスター状態マシンが前記第１センサ及び前記第１センサ信号経路を周期的に有効にし、値又は値のシーケンスを有するセンサ信号を受け取るように構成され、作動期間が、前記第１センサ及び前記第１センサ信号経路の既定のサンプルレートに対応している、請求項１に記載の眼科用装置。
11. 第２センサ及び第２センサ信号経路を更に含み、前記マスター状態マシンが、前記第１センサ及び前記第１センサ信号経路からの固有な既定の値又は固有な既定の値シーケンスを検出すると、前記第２センサ及び前記第２センサ信号経路を有効にするように構成されている、請求項１０に記載の眼科用装置。
12. 前記第１センサ及び前記第１センサ信号経路が、光センサ及び光センサ信号経路を含み、前記センサ信号が、前記光センサに対する入射光レベルを示す値を含む、請求項１１に記載の眼科用装置。
13. 前記既定の値シーケンスが、まばたきパターンを示す、請求項１２に記載の眼科用装置。
14. 前記マスター状態マシンが、第１のまばたきパターンの検出時に、レンズ駆動装置を有効にする、請求項１３に記載の眼科用装置。
15. 前記マスター状態マシンが、第２のまばたきパターンの検出時に、光受信器又は電磁受信器の少なくとも一方を有効にする、請求項１４に記載の眼科用装置。
16. 前記電子システムが更に、動作の完了を示す「完了」信号を前記マスター状態マシンに供給するように構成された高速クロックを有するサブシステムを備える、請求項１５に記載の眼科用装置。
17. 前記電子回路が更に電力管理回路を備える、請求項１に記載の眼科用装置。
18. 前記電子回路が更に１つ又は２つ以上の高電圧発生器を備える、請求項１に記載の眼科用装置。
19. 前記電子回路が更に１つ又は２つ以上のスイッチ回路を備える、請求項１に記載の眼科用装置。
20. 前記電子回路が更に１つ又は２つ以上のセンサを備える、請求項１に記載の眼科用装置。
21. 前記少なくとも1つのサブシステムがデジタルまばたき検出サブシステムを備える、請求項１に記載の眼科用装置。
22. 前記少なくとも1つのサブシステムが電荷ポンプ電圧増倍器コントローラサブシステムを備える、請求項１に記載の眼科用装置。
23. 前記少なくとも1つのサブシステムがデジタルレシーバサブシステムを備える、請求項１に記載の眼科用装置。
24. 眼科用デバイスであって、中心に可変焦点レンズを含む電子部品インサートを有する軟質プラスチック部分を備える、眼科用デバイスと、
    前記眼科用デバイスに組み込まれ、眼の中又は眼の表面上の少なくともいずれか一方で使用するように構成された電子システムであって、前記可変焦点レンズの周りの前記電子部品インサートに取り付けられた電子システムと、
    前記電子システムの動作を制御するために前記電子システムに組み込まれ、マスター状態マシンクロック信号を受け取り、かつ少なくとも１つの信号を出力するマスター状態マシンを実装するように構成されたシステムコントローラであって、当該システムコントローラは、クロック及びリセット発生器サブシステムと、前記電子システムの電子部品を制御するサブシステム状態マシンを実装するように構成された少なくとも１つのサブシステムとを含むシステムコントローラにおいて、
    前記マスター状態マシンが、所定の状態シーケンスに沿って進行し、
    前記少なくとも１つのサブシステムが、前記マスター状態マシンクロック信号より高周波であるサブシステムクロック信号を受け取り、前記少なくとも１つのサブシステムが、電力消費を減少させるために前記少なくとも１つのサブシステムの動作の完了時に前記サブシステムクロック信号を無効にする、システムコントローラと、
    前記電子システムに組み込まれ、前記システムコントローラに動作的に関連し、かつ前記システムコントローラに電力を供給し、１つ又は２つ以上の電源と、クロック発生回路又は入力の１つ又は２つ以上とを含む電子回路と、
    前記可変焦点レンズの動作を制御するために、前記システムコントローラからの前記少なくとも１つの出力を受け取るように構成された少なくとも１つのアクチュエータと、を含む、眼科用装置。

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