KR102068967B1 - 가변 광학 전자 안과용 렌즈를 위한 렌즈 구동기 - Google Patents

가변 광학 전자 안과용 렌즈를 위한 렌즈 구동기 Download PDF

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Abstract

가변 초점 광학계를 작동시키는 전자 시스템을 포함하는 안과용 기구를 위한 렌즈 구동기 또는 렌즈 구동기 회로가 본 명세서에 개시된다. 렌즈 구동기는 안과용 기구에 포함되는 전자 시스템의 일부이다. 전자 시스템은 하나 이상의 배터리 또는 다른 전원, 전력 관리 회로, 하나 이상의 센서, 클록 발생 회로, 제어 알고리즘 및 회로, 그리고 렌즈 구동기 회로를 포함한다. 렌즈 구동기 회로는 하나 이상의 전원, 하나 이상의 고전압 발생기 및 하나 이상의 스위칭 회로를 포함한다.

Description

가변 광학 전자 안과용 렌즈를 위한 렌즈 구동기{LENS DRIVER FOR VARIABLE-OPTIC ELECTRONIC OPHTHALMIC LENS}
관련 출원과의 상호 참조
본 특허 출원은 2012년 4월 3일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/619524호의 이익을 주장한다.
본 발명은 가변 광학 급전식 또는 전자 안과용 렌즈(variable-optic powered or electronic ophthalmic lens)에 관한 것이며, 보다 상세하게는 가변 광학 전자 안과용 렌즈에 급전하기 위한 전자 회로에 관한 것이다.
전자 장치가 계속하여 소형화됨에 따라, 다양한 용도를 위해 착용가능한 또는 매설가능한 마이크로전자 장치를 생성하기가 점점 더 쉬워지고 있다. 그러한 용도는 신체 화학성상(chemistry)의 태양을 모니터링하는 것, 측정에 응답하거나 외부 제어 신호에 응답해, 자동적으로 이루어지는 것을 비롯하여, 다양한 메커니즘을 통해 약물 또는 치료제의 제어된 투입량을 투여하는 것, 및 장기 또는 조직의 수행 능력(performance)을 증대시키는 것을 포함할 수 있다. 그러한 장치의 예는 포도당 주입 펌프, 심장 박동기(pacemaker), 제세동기(defibrillator), 심실 보조 장치(ventricular assist device) 및 경피신경 자극기(neurostimulator)를 포함한다. 새로운, 특히 유용한 응용 분야는 안과용의 착용가능한 렌즈 및 콘택트 렌즈이다. 예를 들어, 착용가능한 렌즈는 눈의 수행 능력을 증대 또는 향상시키기 위해 전자적으로 조절가능한 초점을 갖는 렌즈 조립체를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 조절가능한 초점을 갖거나 갖지 않는 착용가능한 콘택트 렌즈는 각막전(precorneal) (누액) 막 내의 특정 화학물질의 농도를 검출하기 위한 전자 센서를 포함할 수 있다. 렌즈 조립체에서의 매설된 전자기기(electronics)의 사용은 전자기기와의 통신, 전자기기에 전원을 공급하고/하거나 재활성화하는 방법, 전자기기의 상호접속, 내부 및 외부 감지 및/또는 모니터링, 그리고 렌즈의 전체 기능 및 전자기기의 제어를 위한 잠재적인 요건들을 도입한다.
사람의 눈은 수백만가지의 색상을 구분하는 능력, 변하는 조명 조건에 쉽게 적응하며, 고속 인터넷 연결의 속도를 능가하는 속도로 신호 또는 정보를 두뇌로 전송하는 능력을 갖는다. 근시, 원시 및 난시 등의 시각 장애를 교정하기 위해 콘택트 렌즈 및 안내 렌즈(intraocular lens)와 같은 렌즈가 현재 이용되고 있다. 그러나, 시력을 향상시키기 위해서뿐만 아니라 시각 장애를 교정하기 위해서 부가의 구성요소를 포함하는 적절히 설계된 렌즈가 이용될 수 있다.
종래의 콘택트 렌즈는 앞서 간략히 기재된 바와 같은 다양한 시력 문제를 교정하기 위해 특정의 형상을 갖는 중합체 구조물이다. 향상된 기능을 달성하기 위해, 다양한 회로 및 구성요소가 이들 중합체 구조물에 통합되어야만 한다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 시력을 교정하기 위해서는 물론 시력을 향상시키는 것뿐만 아니라 부가의 기능을 제공하기 위해, 예를 들어, 제어 회로, 마이크로프로세서, 통신 장치, 전원, 센서, 작동기, 발광 다이오드, 및 소형 안테나가 주문 제작된 광전자 구성요소를 통해 콘택트 렌즈에 통합될 수 있다. 전자 및/또는 급전식 콘택트 렌즈가 줌인 및 줌아웃 능력을 통해 또는 단순히 렌즈의 굴절 능력을 수정하는 것을 통해 향상된 시력을 제공하도록 설계될 수 있다. 전자 및/또는 급전식 콘택트 렌즈는, 색상 및 분해능을 향상시키도록, 텍스트 정보를 표시하도록, 음성을 실시간으로 캡션으로 변환하도록, 내비게이션 시스템으로부터 시각적 단서를 제공하도록, 이미지 처리 및 인터넷 접속을 제공하도록 설계될 수 있다. 렌즈는 착용자가 낮은 조명 조건에서 볼 수 있도록 설계될 수 있다. 적절히 설계된 전자기기 및/또는 렌즈 상에서의 전자기기의 배열은, 예를 들어, 가변 초점 광학 렌즈 없이 망막 상으로 이미지를 투사하는 것, 신규한 이미지 디스플레이를 제공하는 것, 및 심지어 기상 경보를 제공하는 것을 가능하게 해줄 수 있다. 대안적으로, 또는 이들 기능 또는 유사한 기능 중 임의의 것에 부가하여, 콘택트 렌즈는 착용자의 생체 지표 및 건강 지표의 비침습적 모니터링을 위한 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 렌즈 내에 매설된 센서는 채혈을 할 필요없이 누액막의 성분을 분석함으로써 당뇨병 환자가 혈당 수준에 관한 색인표(tab)를 유지하게 할 수 있다. 게다가, 적절히 구성된 렌즈는 콜레스테롤, 나트륨 및 칼륨 수준뿐만 아니라 다른 생물학적 지표를 모니터링하기 위한 센서들을 포함할 수 있다. 이는 무선 데이터 송신기와 결합하면 환자가 검사실에 가서 채혈하느라 시간을 낭비할 필요없이, 의사가 환자의 혈액 화학성상에 거의 즉각적으로 접근하게 할 수 있다. 게다가, 렌즈에 매설된 센서는 주변광 조건을 보상하기 위해 또는 깜박임 패턴을 결정하는 데 사용하기 위해 눈에 입사하는 광을 검출하는 데 이용될 수 있다.
장치들의 적절한 조합은 잠재적으로 무제한의 기능을 제공할 수 있지만, 광학 등급의 중합체편에 부가의 구성요소를 포함시키는 것과 연관된 많은 어려움이 있다. 일반적으로, 여러가지 이유로 인해 그러한 구성요소들을 렌즈 상에 직접 제조하는 것뿐만 아니라, 비평면 표면 상에 평면 장치를 장착 및 상호접속시키는 것은 어렵다. 또한, 소정 축척으로 제조하는 것이 어렵다. 렌즈 상에 또는 렌즈 내에 배치될 구성요소를 소형화하여 단지 1.5 제곱 센티미터의 투명 중합체 상에 통합시키면서 구성요소를 눈에서의 액체 환경으로부터 보호할 필요가 있다. 또한, 부가의 구성요소의 증가된 두께로 인해 콘택트 렌즈를 착용자에게 편안하고 안전하게 제조하는 것은 어렵다.
콘택트 렌즈와 같은 안과용 장치의 면적 및 체적 제약과, 그것이 내부에 이용되는 환경을 고려하면, 장치의 물리적 실현은 대부분이 광학 플라스틱을 포함하는 비-평면 표면 상에 다수의 전자 구성요소를 장착 및 상호접속시키는 것을 포함한 많은 문제를 극복하여야 한다. 따라서, 기계적으로 그리고 전기적으로 강건한 전자 콘택트 렌즈를 제공할 필요성이 존재한다.
이들이 급전식 렌즈이기 때문에, 안과용 렌즈에 대한 크기에서 배터리 기술이 주어진 경우, 전자기기를 구동하는 에너지 또는 보다 상세하게는 전류 소모가 관심사이다. 보통의 전류 소모에 더하여, 이러한 특성의 급전식 장치 또는 시스템은 일반적으로 대기 전류 비축, 잠재적으로 넓은 범위의 동작 파라미터에 걸쳐 동작을 보장하는 정확한 전압 제어 및 스위칭 기능, 및 잠재적으로 수년 동안 유휴 상태로 있은 후의 버스트 소모량(burst consumption), 예를 들어 한번의 충전으로 최대 18 시간을 필요로 한다.
시력 교정 및 가능하게는 시력 향상은, 전형적으로 안경 렌즈, 콘택트 렌즈, 안내 렌즈(IOL) 및 정적(static) 광학계를 통한 기타 안과용 장치에서 달성된다. 예를 들어, 근시를 치료하는 안경 렌즈 또는 콘택트 렌즈는 각막 및/또는 렌즈에서의 결함에 의해 야기되는 망막 상의 초점을 보정하는 구면 굴절력(spherical power)을 갖는 렌즈를 포함한다. 이중 초점 교정 렌즈는 주 렌즈와 상이한 굴절력의 삽입 렌즈를 포함할 수 있다. 보다 진보된 설계는 렌즈에 걸쳐 교정 굴절력을 변화시키기 위해 구배, 구역 또는 다른 방식을 사용한다. 그러나, 이들 렌즈는 광학적으로 정적이기 때문에, 이 렌즈들은 눈의 수정체의 광학 굴절력을 변화시킴으로써 달성되는 가변 초점 동작인 사람의 눈의 자연스런 응답에 정합하지 않는다. 노안인 사람에서, 상이한 초점 거리들로 원근 조절을 하는 눈의 본래의 능력이 크게 감소되어, 기능의 상실 및 불편함으로 이어진다. 이 분야에서의 최근의 진보는 어떤 동적 원근 조절을 갖는 안경 렌즈 및 심지어 IOL, 예를 들어 제한된 양의 광학 굴절력 변화를 달성하기 위해 눈의 모양 소대(zonule)에 연결된 전자 안경 렌즈 또는 IOL을 포함하였다. 이들 기존의 시스템은, 작은 범위의 부가 도수(add power), 아마도 단지 +1 디옵터만을 커버하는 것, 안경 렌즈가 착용될 것을 필요로 하는 것, IOL을 이식하기 위해 수술을 필요로 하는 것, 및 기타 단점에 의해 제한된다.
액정, 전기 활성 중합체, 전기-기계적 가변 유체, 및 액체 메니스커스 렌즈를 비롯한 몇몇 유형의 전자적 가변 렌즈 기술이 있다. 그러한 전자적 가변 렌즈는 작동기, 및 렌즈의 초점 거리를 변경하는 전자 장치를 필요로 한다. 예를 들어, 액체 메니스커스 또는 전기 활성 중합체 렌즈에서, 작동기로부터의 인가된 전압 및/또는 전류는 초점 거리를 변화시키기 위해 렌즈의 물리적 파라미터를 변조시킨다. 가변 렌즈와, 렌즈 구동기로서 또한 알려진 그의 작동기 둘 모두는 스마트폰 카메라 및 산업 응용과 같은 다양한 응용을 위해 구매가능하다. 콘택트 렌즈 및 IOL과 같은 안과용 장치에 대해 적합한 렌즈 및 작동기가 존재하지 않는다.
전기 또는 급전식 렌즈는 전형적으로 배터리로부터 즉시 이용가능한 것보다 더 높은 전압을 필요로 한다. 예를 들어, 급전식 렌즈는 초점 거리의 최대 변화에 도달하기 위해 60 볼트를 필요로 할 수 있지만, 전형적인 배터리는 4 볼트 미만을 출력한다. 전형적인 렌즈 구동기는 저전압원으로부터 고출력 전압을 달성하기 위해 전압 증배기 회로를 포함하며, 그의 많은 설계가 당업계에 공지되어 있다. 전압 증배기는 본질적으로 부정합된 1차 대 2차 비를 갖는 전기 변압기의 원리와 유사한 원리의 전압 및 전류 변환 장치이다. 변압기가 교류에서 동작하는 반면, 전압 증배기는 배터리와 같은 직류(DC) 전원으로부터 동작한다. 전압 증배기는 전자기기 업계에서 널리 알려진 회로 유형인 전하 펌프를 포함할 수 있다.
현재 이용가능한 렌즈 구동기는 많은 단점을 가지며, 이들 단점은 렌즈 구동기가 콘택트 렌즈 및 IOL과 같은 안과용 장치에 사용하는 데 부적합하게 만든다. 전형적인 렌즈 구동기의 전류 소모는 대략 1 내지 100 밀리암페어 초과의 정도이다. 이는 주간선(main line) 전력에 접속되는 로봇 제조 시스템 또는 심지어 비교적 큰 배터리를 갖는 카메라 또는 스마트폰에 대해서는 허용가능한 전류 소모이지만, 안과용 장치에서의 전원에 대해서는 너무 많은 전류이다. 배터리, 에너지 회수 장치 및/또는 커패시터로서 구현되는 그러한 전원은 전형적으로 아마도 30 마이크로암페어 이하의 전류로 제한된다. 급전식 렌즈를 활성화시킬 때 렌즈 구동기에 의해 소모되는 전류인 활성 전류 소모, 및 렌즈 구동기가 급전식 렌즈를 구동하지 않을 때 소모되는 전류인 대기 전류 소모 둘 모두는 안과용 장치에 대해서 중요한 파라미터이다.
전형적인 전자적 가변 렌즈 및 그의 렌즈 구동기는 응용들을 위해 설계되어 있지만 안과용 장치 사용에 대해서는 최적화되어 있지 않다. 예를 들어, 일부 렌즈는 밀리미터부터 무한대까지의 소정 범위의 초점 거리에 걸쳐 연속적으로 가변적인데, 일부는 30 이상의 디옵터이다. 상업적 렌즈 및 구동기는 초점 거리를 매우 빨리, 아마도 100 밀리초 미만 내에 변화시켜야 한다. 당업계에 공지된 바와 같이, 안과용 렌즈는 전형적으로 자연 눈이 초점 거리를 변경하는 데 필요한 시간인 1 또는 2초 내에 초점을 변화시키는 것만이 필요할 수 있다. 상업적 응용 및 제조 응용을 위해 의도된 전형적인 렌즈 및 구동기 시스템은 수년 동안 동작을 지속해야 하고 매일 여러번 초점 거리의 넓은 변화를 겪어야 한다. 대조적으로, 콘택트 렌즈와 같은 일부 안과용 장치는 일회용일 수 있고, 18시간 동안만 사용될 수 있다.
전형적인 렌즈 구동기는 별개의 전자기기 또는 집적 회로(IC)로 구현된다. IC로서 구현될 때에도, 렌즈 구동기는 커패시터와 같은 외부 구성요소를 필요로 할 수 있고, 렌즈 구동기의 물리적 다이(die) 크기는 수백 마이크로미터의 두께에서 2 제곱 밀리미터 이상일 수 있어서, 여전히 난제이다.
전자적 가변 렌즈는 전형적으로 10 내지 60 볼트의 전압에 의해 활성화된다. 따라서, 이들 장치에 대한 렌즈 구동기는 급전식 렌즈를 활성화시키기에 충분한 고전압을 출력해야 한다. 렌즈 구동기는 출력 전압을 변경함으로써 급전식 렌즈의 광학 굴절력을 변조하도록 프로그래밍가능할 수 있다.
속도, 신뢰성, 및 큰 범위의 초점 거리에 걸친 광학 굴절력의 정확한 변조에 대한 요건으로 인해, 액체 메니스커스 렌즈를 위한 전형적인 렌즈 구동기는 교류(AC) 구동기를 이용한다. 그러한 AC 구동기는 렌즈에 인가되는 바이어스를 양과 음 사이에서 빠르게, 아마도 1 ㎑(킬로헤르쯔) 속도로 스위칭한다. 이 구동 방법은 기존의 상업적 응용에 이점을 제공하지만, 대안적인 직류(DC) 구동 방법으로부터의 전류 소모를 또한 크게 증가시킨다. 액체 메니스커스 렌즈는 커패시터로서 모델링될 수 있고, 그로써 커패시터를 충전시키는 데 필요한 에너지는 1/2xCxV2인데, 여기서 C는 렌즈 커패시턴스이고 V는 인가된 전압이다. 액체 렌즈 커패시턴스는 대략 200 피코패럿(pF)이다. 렌즈 커패시턴스가 고속으로 충전되어야 하기 때문에 전형적인 고전압 렌즈 구동기에 의해 많은 양의 전력이 제공되고 소모된다는 것이 명백하다.
따라서, 가변 초점 광학계를 구동하는 데 필요한 전력을 제공하면서 저비용, 장기간의 신뢰성있는 서비스, 안전성, 크기, 및 속도에 대해 최적화되는 급전식 안과용 렌즈를 위한 렌즈 구동기에 대한 필요성이 있다.
본 발명의, 가변 초점 광학계 전자 안과용 렌즈에 급전하기 위한 전자 회로를 포함하는 렌즈 구동기는 위에서 간략히 기재된 종래 기술과 연관된 단점을 극복한다.
하나의 예시적인 실시예에 따르면, 본 발명은 안과용 기구에 관한 것이다. 안과용 기구는 눈 내부 또는 눈 상부 중 적어도 하나에서 사용하도록 구성된 안과용 장치; 안과용 장치에 포함되는 전자 시스템으로서, 제어 시스템, 적어도 하나의 렌즈 작동기, 및 하나 이상의 전원을 포함한 전력 시스템을 포함하고, 저전력을 소모하도록 구성된, 상기 전자 시스템; 및 안과용 장치에 포함되는 광학계 요소로서, 시력 교정 및 시력 향상 중 적어도 하나를 위해 구성가능한 전자적으로 제어되는 초점 거리를 가지며, 전자 시스템과 작동가능하게 연관되는, 상기 광학계 요소를 포함한다.
본 발명은 가변 초점 광학계를 작동시키는 것을 비롯한 임의의 개수의 기능을 수행하는 전자 시스템을 포함하는 급전식 콘택트 렌즈에 관한 것이다. 전자 시스템은 하나 이상의 배터리 또는 다른 전원, 전력 관리 회로, 하나 이상의 센서, 클록 발생 회로, 적합한 제어 알고리즘을 구현하는 제어 회로, 및 렌즈 구동기 회로를 포함한다.
렌즈 작동기 또는 렌즈 구동기 회로는 가변 초점 광학계를 작동시키기 위해 적절한 바이어스를 발생시킨다. 이는 시스템 제어기, 제어 시스템 또는 제어 회로에 의해 활성화되고, 전력 관리 회로로부터 전류를 받으며, 클록 발생 회로로부터 클록 신호를 수신한다. 렌즈 작동기 또는 렌즈 구동기 회로는 하나 이상의 전원, 하나 이상의 바이어스 발생기 및 하나 이상의 스위칭 회로를 포함한다. 렌즈 구동기 회로는 배터리 수준의 전압을 가변 초점 렌즈를 작동시키기에 적절한 바이어스로 변환시킨다. 이는 또한 가변 초점 렌즈에 대한 바이어스, 예를 들어 접지, 고전압, 극성 반전 및 부유를 스위칭하는 회로를 포함한다.
하나의 예시적인 실시예에서, 가변 초점 광학계는 초점을 변화시키는 데 고전압을 필요로 하는 전기 습윤 장치이다. 그러한 가변 초점 광학계를 위한 렌즈 구동기는 배터리-수준 전압을 고전압 바이어스로, 예를 들어 2 V 입력으로부터 25 V 출력으로 변환시킨다. 다른 예시적인 실시예에서, 가변 초점 광학계는 전기-기계적 또는 전기-유체 장치이다. 그러한 가변 초점 광학계를 위한 렌즈 구동기는 전기 습윤 장치에 필요한 것과 실질적으로 상이할 수 있는데, 예를 들어 특정의 구동 파형 및 렌즈 또는 광학계 상태의 피드백을 필요로 할 수 있다. 그러나, 안과용 장치에서의 기능은 동일한데, 즉 렌즈의 가변 초점 광학계의 초점 거리를 전자적으로 제어한다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 가변 초점 광학계는 전류-모드 바이어스를 필요로 하는 액정 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 렌즈 구동기 회로는, 편안함 또는 착용성에 유의한 영향을 미치지 않고서, 콘택트 렌즈와 같은 안과용 장치 상에서 또는 그 내에서 이용하기 위한 크기로 된 패키지에서 안전하고 저렴하며 장기간의 신뢰성있는 전력을 제공한다.
전류 소모를 감소시키기 위해, 안과용 장치를 위한 렌즈 구동기에 적용가능한 본 발명에 따른 몇몇 기술이 사용된다. 급전식 렌즈의 가변 초점 광학계 요건이 안과용 장치의 요건에 정합된 상태에서, 렌즈 구동기의 요건을 급전식 렌즈의 가변 초점 광학계에 주의깊게 정합시킴으로써 전류가 감소된다. 예를 들어, 액체 메니스커스 렌즈에 대한 스위칭 손실을 피하기 위해, AC 구동 대신에 DC 구동이 사용된다. 이는, 일부 예시적인 실시예에서, 계속적으로 가변하는 초점이 필요하지 않거나 기존의 렌즈 구동기에 대한 요건과 실질적으로 상이하기 때문에 가능하다. 부가 도수(add power)는 단지 플라노(plano)(0 부가 도수) 및 +3 광학 굴절력일 수 있다. 또한, 안과용 장치에 대한 특정의 액체 메니스커스 렌즈의 설계가 극성 토글링에 대한 필요성을 감소시키거나 없앤다. 일부 예시적인 실시예에서, 렌즈 구동기의 출력은 조절되지 않고 제어 루프의 일부가 아니다. 넓은 범위의 초점 거리를 커버하는 응용에서는 렌즈 구동기 출력의 엄격한 조절이 필요할 수 있지만, 엄격한 조절이 모든 안과 응용에 대해 반드시 필요한 것은 아니다. 렌즈의 설계는 넓은 범위의 구동기 전압이 초점 거리의 원하는 변화를 달성하게 할 수 있다. 당업자가 아는 바와 같이, 피드백 시스템의 제거는 렌즈 구동기를 크게 단순화시키며, 이때 다이 크기 및 전류 소모에 있어서 상응하는 개선이 있다.
안과 응용을 위한 렌즈 구동기를 주의깊게 설계함으로써 전류 소모가 추가로 감소된다. 활성 전류가 대략 3 마이크로암페어로 감소된다. 대기 및 저장 전류가 나노암페어 또는 피코암페어로 감소된다. 이는 당업계에 공지된 기술뿐만 아니라 본 명세서에 더 상세히 기술되는 혁신적인 새로운 기술을 통해 달성된다.
안과 응용을 위해 렌즈와 함께 렌즈 구동기를 설계하는 것은 렌즈 구동기에 부가의 개선을 허용한다. 급전식 렌즈의 가변 초점 광학계의 활성화 전압이 감소될 수 있고, 이때 렌즈 구동기의 출력 전압 요건 및 렌즈 구동기의 전류 및 크기에 있어서 상응하는 감소가 있다. 급전식 렌즈의 가변 초점 광학계의 커패시턴스 및 저항이 최적화될 수 있음으로써, 렌즈 구동기로부터 전류를 덜 필요로 하게 된다. 역시, 이는 렌즈 구동기의 크기 및 전류 소모를 감소시킨다.
크기 및 패키징이 안과 응용을 위한 렌즈 구동기의 적합성에 아주 중요한 것이다. 이와 같이, 집적, 레이아웃 및 상호접속이 특히 안과용으로 사용하도록 설계된다. 렌즈 구동기의 모든 구성요소가 하나의 규소 집적 회로(IC) 상에 집적되어, 개별 표면 실장 커패시터와 같은 외부 구성요소에 대한 필요성을 없앤다. 다양한 기법을 통해 다이 크기가 감소된다. 상호연결부가 웨이퍼 후처리에서 부가되고, 안과 응용을 위해 구체적으로 설계된다. 다이는 아마도 30 내지 100 마이크로미터로 박화된다.
본 발명의 상기 및 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예의 하기의 보다 구체적인 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
<도 1>
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 가변 초점 렌즈 시스템을 나타내는 블록도.
<도 2>
도 2는 본 발명에 다른 가변 초점 광학계를 갖는 급전식 콘택트 렌즈에 결합된 예시적인 H-브리지 회로의 개략도.
<도 3>
도 3은 본 발명에 따른 예시적인 다이오드-기반 전하 펌프 렌즈 구동기의 개략도.
<도 4>
도 4는 본 발명에 따른 인가된 전압에 대한 2개의 가변 초점 광학계의 광학 응답을 나타내는 그래프.
<도 5>
도 5는 본 발명에 따른 회로 기판 상의 개별 렌즈 구동기 회로의 레이아웃의 개략도.
<도 6>
도 6은 본 발명에 따른 예시적인 렌즈 구동기-광학계 인터페이스의 블록도.
<도 7>
도 7은 본 발명에 따른 예시적인 전하 펌프에 대한 입력 파형을 나타내는 그래프.
<도 8>
도 8은 본 발명에 따른 대안적인 전하 펌프 렌즈 구동기의 개략도.
<도 9>
도 9는 도 8의 예시적인 전하 펌프에서의 각각의 커패시터의 상부판 노드에서의 전압 대 시간의 시뮬레이션을 나타내는 그래프.
<도 10>
도 10은 본 발명에 따른 급전식 콘택트 렌즈를 위한, 렌즈 구동기를 포함한 예시적인 전자 삽입물의 개략도.
종래의 콘택트 렌즈는 앞서 간략히 기재된 바와 같은 다양한 시력 문제를 교정하기 위해 특정의 형상을 갖는 중합체 구조물이다. 향상된 기능을 달성하기 위해, 다양한 회로 및 구성요소가 이들 중합체 구조물에 통합되어야만 한다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 시력을 교정하기 위해서는 물론 시력을 향상시키는 것뿐만 아니라 부가의 기능을 제공하기 위해, 예를 들어, 제어 회로, 마이크로프로세서, 통신 장치, 전원, 센서, 작동기, 발광 다이오드, 및 소형 안테나가 주문 제작된 광전자 구성요소를 통해 콘택트 렌즈에 통합될 수 있다. 전자 및/또는 급전식 콘택트 렌즈가 줌인 및 줌아웃 능력을 통해 또는 단순히 렌즈의 굴절 능력을 수정하는 것을 통해 향상된 시력을 제공하도록 설계될 수 있다. 전자 및/또는 급전식 콘택트 렌즈는, 색상 및 분해능을 향상시키도록, 텍스트 정보를 표시하도록, 음성을 실시간으로 캡션으로 변환하도록, 내비게이션 시스템으로부터 시각적 단서를 제공하도록, 이미지 처리 및 인터넷 접속을 제공하도록 설계될 수 있다. 렌즈는 착용자가 낮은 조명 조건에서 볼 수 있도록 설계될 수 있다. 적절히 설계된 전자기기 및/또는 렌즈 상에서의 전자기기의 배열은, 예를 들어, 가변 초점 광학 렌즈 없이 망막 상으로 이미지를 투사하는 것, 신규한 이미지 디스플레이를 제공하는 것, 및 심지어 기상 경보를 제공하는 것을 가능하게 해줄 수 있다. 대안적으로, 또는 이들 기능 또는 유사한 기능 중 임의의 것에 부가하여, 콘택트 렌즈는 착용자의 생체 지표 및 건강 지표의 비침습적 모니터링을 위한 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 렌즈 내에 매설된 센서는 채혈을 할 필요없이 누액막의 성분을 분석함으로써 당뇨병 환자가 혈당 수준에 관한 색인표(tab)를 유지하게 할 수 있다. 게다가, 적절히 구성된 렌즈는 콜레스테롤, 나트륨 및 칼륨 수준뿐만 아니라 다른 생물학적 지표를 모니터링하기 위한 센서들을 포함할 수 있다. 이는 무선 데이터 송신기와 결합하면 환자가 검사실에 가서 채혈하느라 시간을 낭비할 필요없이, 의사가 환자의 혈액 화학성상에 거의 즉각적으로 접근하게 할 수 있다. 게다가, 렌즈에 매설된 센서는 주변광 조건을 보상하기 위해 또는 깜박임 패턴을 결정하는 데 사용하기 위해 눈에 입사하는 광을 검출하는 데 이용될 수 있다.
본 발명의 급전식 또는 전자 콘택트 렌즈는 전술된 시각 장애들 중 하나 이상을 가지고 있는 환자의 시력을 교정하고/하거나 향상시키는 데 또는 유용한 안과용 기능을 달리 수행하는 데 필요한 요소를 포함한다. 게다가, 이들은 전술된 바와 같이 단순히 보통의 시력을 향상시키기 위해 또는 매우 다양한 기능을 제공하기 위해 이용될 수 있다. 전자 콘택트 렌즈는 가변 초점 광학계 렌즈, 콘택트 렌즈에 매설되어 있는 또는 임의의 적합한 기능을 위해 렌즈 없이 단지 전자기기를 간단히 매설하고 있는 조립된 전방 광학계를 포함할 수 있다. 본 발명의 전자 렌즈는 전술된 바와 같이 임의의 개수의 콘택트 렌즈들 내에 포함될 수 있다. 게다가, 안내 렌즈가 또한 본 명세서에 기술된 다양한 구성요소 및 기능을 포함할 수 있다. 그러나, 설명의 편의상, 본 개시 내용은 일회용으로 매일 교체하도록 의도된, 시각 장애를 교정하는 전자 콘택트 렌즈를 중점적으로 다룰 것이다.
본 발명은 수행될 수 있는 임의의 개수의 많은 기능들을 구현하도록 구성된 가변 초점 광학계 또는 임의의 다른 장치 또는 장치들을 작동시키는 전자 시스템을 포함하는 급전식 안과용 장치 또는 급전식 콘택트 렌즈에 관한 것이다. 전자 시스템은 하나 이상의 배터리 또는 다른 전원, 전력 관리 회로, 하나 이상의 센서, 클록 발생 회로, 적합한 제어 알고리즘을 구현하는 제어 회로, 및 렌즈 구동기 회로를 포함한다. 이들 구성요소의 복잡성은 급전식 또는 전자 렌즈의 요구되거나 원하는 기능에 따라 변할 수 있다.
제어 회로, 시스템 제어기 또는 제어 시스템이 급전식 또는 전자 안과용 렌즈, 예를 들어 멀리 있는 물체에 대해 줌인하거나 초점을 맞추고 가까이 있는 물체에 대해 줌아웃하거나 초점을 맞추기 위한 가변 전력 광학계 요소 또는 가변 초점 광학계를 포함하는 콘택트 렌즈를 제어하기 위하여 임의의 개수의 입력을 수신할 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다.
제어 시스템은 다른 장치 및/또는 시스템의 동작을 관리, 명령, 지시 및/또는 조절하도록 구성된 하나 이상의 장치를 포함한다. 다수의 상이한 유형의 제어 시스템들이 있지만, 이들은 일반적으로 2가지 부류 또는 유형, 즉 논리 또는 순차 제어 시스템 및 피드백 또는 선형 제어 시스템에 속한다. 논리 또는 순차 제어 시스템에서는, 하나 이상의 작업을 수행하기 위해 사전 결정된 순서로 일련의 작동기들을 트리거하는 명령 신호가 출력된다. 피드백 제어 시스템에서는, 하나 이상의 센서, 제어 알고리즘 및 작동기를 포함하는 제어 루프가 설정점 또는 기준값에서의 변수를 조절하도록 구성된다. 임의의 피드백 제어 시스템에서는, 시스템이 무엇을 해야 하는지를 알아야 하고, 시스템이 얼마나 잘 기능하고 있는지를 알아야 하며, 성능 정보를 사용하여 시스템을 정정 및 제어할 필요가 있다.
기본적인 피드백 제어 시스템의 구성요소는 다음과 같이 기술될 수 있다. 제어 시스템은 제어될 시스템 또는 설비를 포함하고, 입력을 수신하고 출력을 제공하도록 구성된다. 설비의 출력은 설비의 하나 이상의 파라미터를 측정하고 피드백 신호를 제공하는 센서로 입력된다. 피드백 신호는 이어서, 비교기 또는 다른 적합한 수단을 통해, 입력 신호로부터 감산되어, 오차 신호를 발생시킨다. 오차 신호는 이어서 제어기에 입력되고, 제어기는 설비에 신호를 출력하고, 이에 의해 설비가 원하는 동작을 구현하게 한다. 본질적으로, 센서로부터의 피드백은 전체 시스템의 모든 복잡성들을 고려하려고 시도하며, 주어진 입력에 대해 원하는 결과인 출력을 생성한다. 모든 제어 시스템은 소정의 제어 법칙의 범위 내에서 설계되고, 전형적으로 속도 및 정확도를 비롯한 다양한 측면에서의 절충을 나타낸다. 본 설명이 과도하게 단순화되어 있고 하드웨어와 관련하여 기술되지만, 본 설명은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있는 피드백 제어 시스템에 대한 기초를 제공한다.
피드백 제어 시스템은 비례 제어기, 적분 제어기, 미분 제어기 또는 이들의 조합으로 추가로 분류될 수 있다. 비례 제어기에서는, 제어 동작이 오차에 비례한다. 적분 제어기에서는, 시설로의 작동 신호 또는 입력이 오차의 적분에 비례한다. 미분 제어기에서는, 공정의 출력이 입력이 변하는 속도에 비례한다. 각각의 유형의 제어기는, 제어 업계에서 공지된 바와 같이, 그 자신의 이점을 제공한다. 예를 들어, 적분 제어기를 이용할 때, 정상 상태 오차가 달성되어야 한다.
위에서 기재된 바와 같이, 순차 제어기는 일련의 동작들이 특정의 순서로 일어날 필요가 있는 제어기이다. 이들 동작은 매우 복잡할 수 있는데, 그 이유는 전체 공정의 모든 조건들이 알려져야 하기 때문이다. 순차 제어기는 일반적으로 전기적 및/또는 기계적 동작을 제어하는 명령들을 순서화(sequence)하는 논리 시스템을 포함한다. 프로그래밍가능 논리 제어기 및 마이크로컨트롤러는 순차적 제어를 하도록 프로그래밍될 수 있다.
명세서 전체에 걸쳐, 용어 "안과용 장치"가 사용된다. 일반적인 용어에서, 안과용 장치는 콘택트 렌즈, 안내 렌즈, 안경 렌즈 및 누점 마개(punctal plug)를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, 안과용 장치는 시력 교정 및/또는 향상을 위한 것이며, 바람직하게는 안경 렌즈, 콘택트 렌즈 및 안내 렌즈 중 적어도 하나를 포함한다. 안내 렌즈 또는 IOL은 눈에 이식되어 수정체를 대체하는 렌즈이다. 이는 백내장이 있는 사람에게 또는 단순히 다양한 굴절 이상(refractive error)을 치료하는 데 이용될 수 있다. IOL은 전형적으로, 렌즈를 눈에 있는 캡슐형 백 내에서 제위치에 보유하기 위해 햅틱(haptic)이라 불리는 플라스틱 측부 스트럿(side strut)을 갖는 작은 플라스틱 렌즈를 포함한다. 본 명세서에 기술된 전자기기 및/또는 구성요소들 중 임의의 것이 콘택트 렌즈와 유사한 방식으로 IOL 내에 포함될 수 있다. 누점 마개 또는 가리개(occluder)는 하나 이상의 질병 상태, 예를 들어 만성 안구 건조를 치료하기 위해 눈의 누점에 삽입하기 위한 안과용 장치이다. 본 발명이 이들 장치들 중 임의의 것에서 이용될 수 있지만, 바람직한 예시적인 실시예에서, 본 발명은 콘택트 렌즈 또는 안내 렌즈에서 이용된다.
본 발명은 수행될 수 있는 임의의 개수의 많은 기능들을 구현하도록 구성된 가변 초점 광학계 또는 임의의 다른 장치 또는 장치들을 작동시키는 전자 시스템을 포함하는 급전식 안과용 렌즈 또는 급전식 콘택트 렌즈에 관한 것이다. 전자 시스템은 하나 이상의 배터리 또는 다른 전원, 전력 관리 회로, 하나 이상의 센서, 클록 발생 회로, 적합한 제어 알고리즘을 구현하는 제어 회로, 및 렌즈 구동기 회로를 포함한다. 이들 구성요소의 복잡성은 렌즈의 요구되는 또는 원하는 기능에 따라 변할 수 있다.
렌즈 구동기 회로는 가변 초점 렌즈를 작동시키기 위해 적절한 바이어스를 발생시킨다. 렌즈 구동기 회로는 시스템 제어기, 제어 시스템 또는 제어 회로에 의해 활성화되고, 전력 관리 회로로부터 전류를 받으며, 클록 발생 회로로부터 클록 신호를 수신한다. 렌즈 구동기 회로는 하나 이상의 전원, 하나 이상의 바이어스 발생기 및 하나 이상의 스위칭 회로를 포함한다. 렌즈 구동기 회로는 배터리 수준의 전압을 가변 초점 렌즈를 작동시키기에 적절한 바이어스로 변환시킨다. 이는 또한 렌즈에 대한 바이어스, 예를 들어 접지, 고전압, 극성 반전 및 부유를 스위칭하는 회로를 포함한다.
위에서 기재된 바와 같이, 본 발명은 다수의 구성요소들을 포함하는 콘택트 렌즈와 같은 안과용 장치에 관한 것으로, 렌즈 구동기는 이들 구성요소 중 하나이다. 장치들의 적절한 조합은 잠재적으로 무제한의 기능을 제공할 수 있지만, 콘택트 렌즈를 이루고 있는 광학 등급의 중합체편에 부가의 구성요소를 포함시키는 것과 연관된 많은 어려움이 있다. 일반적으로, 여러가지 이유로 인해 그러한 구성요소들을 렌즈 상에 직접 제조하는 것뿐만 아니라, 비평면 표면 상에 평면 장치를 장착 및 상호접속시키는 것은 어렵다. 또한, 소정의 축척 및 형태로 제조하는 것이 어렵다. 렌즈 상에 또는 렌즈 내에 배치될 구성요소를 소형화하여 단지 1.5 제곱 센티미터, 또는 보다 상세하게는 17 제곱 밀리미터의 투명 중합체 상에 통합시키면서, 구성요소를 눈에서의 액체 환경으로부터 보호할 필요가 있다. 또한, 부가의 구성요소의 증가된 두께로 인해 콘택트 렌즈를 착용자에게 편안하고 안전하게 제조하는 것은 어렵다.
본 명세서에 기재된 크기 요건에 더하여, 콘택트 렌즈 내에 포함된 전자 장치는 본질적으로 수성 환경에서 사용하기에 강건하고 안전해야 한다. 눈물은 pH가 약 7.4이고, 약 98.2%의 물과, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 및 염소와 같은 전해질을 포함한 1.8%의 고형물이다. 이는 전자기기를 도입하기에 다소 거친 환경이다. 또한, 콘택트 렌즈는 일반적으로 적어도 4시간 동안 그리고 바람직하게는 8시간 초과 동안 착용하도록 설계된다. 전자 구성요소는 에너지를 필요로 한다. 이 에너지는 내장된 배터리를 비롯한 임의의 개수의 공급원으로부터 공급될 수 있다. 배터리 및 다른 잠재적인 에너지원은 이들 크기에서 제한된 전위를 가지기 때문에, 렌즈 구동기를 비롯한 모든 전자 구성요소는 바람직하게는 가능한 한 적은 전력을 소비하도록 설계되어, 콘택트 렌즈가 주어진 기간(유통 기한) 동안 유휴 상태로 있은 후에도 주어진 기간 동안 착용될 수 있게 한다. 마지막으로, 전자 콘택트 렌즈 내의 모든 구성요소는 생체적합성이고 안전해야 한다. 따라서, 콘택트 렌즈 내에 포함된 모든 전자기기는 상기 설계 파라미터, 즉 크기, 수용액에서의 생존성, 전력 소비 및 안전성 모두를 만족시켜야 한다. 본 발명의 렌즈 구동기는 이들 요건 모두를 만족시킨다.
본 발명의 상세한 설명을 살펴보기 전에, 가변 초점 광학계의 많은 대안의 예시적인 실시예들이 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 예를 들어, 가변 초점 광학계는 액정 기술, 전기 활성 중합체 기술, 가변 유체 기술 및 액체 메니스커스 기술을 사용하여 구현될 수 있다. 이하의 상세한 설명에서, 가변 초점 광학계는 액체 메니스커스 렌즈를 포함한다. 본 명세서에 기재되는 액체 메니스커스 및 전기 습윤(electrowetting)이라는 용어는 본 명세서에서 서로 바꾸어 사용된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 대한 설명을 더 잘 이해하기 위해, 액체 메니스커스 렌즈의 전체적인 개괄이 제공된다. 전형적인 액체 렌즈는 2개의 비혼화성 액체들을 포함하는 셀(cell)을 포함한다. 하나의 액체는 절연성이고 비극성인 반면, 제2 액체는 전형적으로 식염수와 같은 전도성 수용액이다. 둘 모두의 액체는 투명하고 상이한 굴절률들을 갖는다. 바람직하게는, 둘 모두의 액체는 중력이 렌즈 동작에 최소한의 영향을 미치도록 동일한 밀도를 갖는다. 절연성 액체는 소적(drop)의 형상으로 구성되고, 소수성인 얇은 절연성 윈도우와 접촉하여 배치되어서, 절연성 액체가 그 상부에 안착하게 될 것이다. 이 윈도우의 외부측에 투명 전극이 위치된다. 전극과 전도성 액체 사이에서의 전압의 인가는, 이러한 동일한 액체의 표면의 습윤성을 좋게 함으로써, 계면을 변형시키고 절연성 액체 소적의 형상을 변화시키며, 이에 의해 렌즈의 초점 거리를 변화시킨다. 이는 상위 수준의 설명이며, 본 발명의 구체적인 광학계 요소로서 해석되도록 의도되는 것이 아니다.
하나의 예시적인 실시예에서, 가변 초점 광학계는 초점을 변화시키는 데 고전압을 필요로 하는 전기 습윤 장치이다. 그러한 가변 초점 광학계를 위한 렌즈 구동기는 배터리-수준 전압을 고전압 바이어스로, 예를 들어 2 V 입력으로부터 25 V 출력으로 변환시킨다. 다른 예시적인 실시예에서, 가변 초점 광학계는 전기-기계적 또는 전기-유체 장치이다. 그러한 가변 초점 광학계를 위한 렌즈 구동기는 전기 습윤 장치에 필요한 것과는 실질적으로 상이할 수 있는데, 예를 들어 특정의 구동 파형 및 렌즈 상태의 피드백을 필요로 할 수 있다. 그러나, 안과용 장치에서의 기능은 동일한데, 즉 렌즈의 초점 거리를 전자적으로 제어한다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 가변 초점 광학계는 전류-모드 바이어스를 필요로 하는 액정 장치를 포함할 수 있다.
전기 습윤 렌즈는 렌즈의 물리적 구성으로부터 발생하는 특정의 양의 커패시턴스를 갖는다. 전도성 염분함유 상(saline phase)이 렌즈의 하나의 전기 접점에 연결된다. 유전체가 이 전도성 염분함유 상을 렌즈의 제2 전기 단자에 연결되어 있는 전극으로부터 분리시킨다. 따라서, 유전체의 존재로 인해 2개의 단자들 사이에 커패시턴스가 발생한다. 전기 습윤 렌즈를 작동시키기 위해, 단자 전압이 초점 변화 활성화의 임계치를 초과할 때까지 커패시턴스가 충전되어야 한다. 이와 같이, 전기 습윤 렌즈의 커패시턴스가 렌즈 구동기의 설계에 아주 중요한 것이다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 렌즈 구동기의 설계 파라미터가 렌즈 부하 및 예상된 성능 요구사항을 고려하도록 최적화될 수 있다. 예를 들어, 전하 펌프 렌즈 구동기가 전기 습윤 렌즈를 작동시키기 위해 고전압을 생성하는 상태에서, 클록 주파수 및 커패시터 크기 중 하나 이상의 증가는 전하 펌프가 더 많은 전류를 공급하게 한다. 또한, 당업계에 공지된 바와 같이, 전류 공급 능력의 증가는 커패시터가 더 빨리 충전되게 한다. 이와 같이, 렌즈 구동기의 클록 주파수 및 커패시터 크기는 전기 효율 및 가변 초점 렌즈의 작동 시간에 대해 최적화될 수 있다. 다른 전자적 가변 렌즈 및 대응하는 렌즈 구동기에 대해 유사한 설계 연결이 존재한다.
이제 도 1을 참조하면, 전원(100), 전력 관리 회로(102), 시스템 제어기(104), H-브리지 제어기(106), 전압 증배기(108), H-브리지(110),및 가변 초점 광학계(112)를 포함하는 가변 초점 전자 안과용 렌즈 시스템의 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 가변 초점 광학계(112)는 액체 렌즈일 수 있는데, 액체 렌즈는 렌즈의 2개의 전기 단자들을 가로질러 인가되는 활성화 전압에 응답하여, 초점 특성, 예컨대 초점 거리를 변화시킨다. 위에서 기재된 바와 같이, 임의의 적합한 기술이 이용될 수 있다. 2개의 단자들은 광학계(112)의 전방 단자 및 후방 단자에 대응할 수 있다. 활성화 전압은 전원으로부터 이용가능한 전압보다 상당히 더 높을 수 있는데, 예를 들어 최대 렌즈 활성화를 위해서는 25 볼트이고 배터리는 단지 2 볼트만을 제공한다. 전원(100)은 배터리, 커패시터, 또는 사용가능한 동작 전압에서 저장된 전하를 제공하는 유사한 장치일 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 전원(100)은 외부 전원에 대한 유도성 전력 커플링일 수 있다. 전력 관리 회로(102)는 하나 이상의 전압 조절기, 기준 전압 또는 전류, 및 전자 렌즈 시스템의 다른 구성요소들에 공급되는 전력을 선택적으로 인에이블(enable)시키는 스위치를 포함할 수 있다. 시스템 제어기(104)는 소프트웨어를 실행시키는 마이크로컨트롤러로서 또는 상태 기계와 같은 디지털 논리로 구현되는 디지털 제어 시스템을 포함하고, 제어 시스템을 위한 주기적 타이밍 신호를 발생시키는 발진기를 추가로 포함할 수 있다. 시스템 제어기(104)는 내부 알고리즘에 기초하여 또는 사용자에 의한 외부 제어 하에서 제어 신호를 전압 증배기(108)에 그리고 H-브리지 제어기(106)에 제공한다. 전압 증배기(108)는 전원(100)으로부터 낮은 동작 전압에서 전류를 받아들이고, 가변 초점 광학계(112)의 활성화 전압에 있거나 이를 초과하는, 즉 가변 초점 광학계(112)의 상태를 변경시키기에 충분한 높은 출력 전압을 발생시킨다. 전압 증배기(108)는 발진기를 추가로 포함하거나, 시스템 제어기(104)로부터 클록 신호를 수신할 수 있다. 예시적인 본 실시예에서, 전압 증배기(108) 출력은 당업계에 널리 알려진 회로 유형인 H-브리지 스위치 회로(110)를 통해 가변 초점 광학계(112)에 결합된다. H-브리지(110)는 전압 증배기(108) 출력과 각각의 가변 초점 광학계(112) 단자 사이에서 그리고 각각의 가변 초점 광학계(112) 단자와 시스템의 전기 접지 사이에서 스위치를 포함한다. H-브리지(110)의 상태는 H-브리지 제어기(106)에 인가되는 시스템 제어기(104) 제어 신호들 중 하나 이상에 의해 결정된다. H-브리지 제어기(106)는 H-브리지(110)를 시스템 제어기(104)에 인터페이싱하도록 작용한다. 일반적으로, H-브리지 제어기(106)는 1.8 볼트의 전형적인 전압에서 동작하는 저전압 디지털 제어기, 예를 들어 시스템 제어기(104)로부터 고전압 H-브리지(110)로 제어 신호를 수준-천이시킨다. H-브리지 제어기(106)는 또한 타이밍 및 지연 회로, 시스템 제어기(104)로부터의 보다 적은 수의 입력으로 H-브리지(110)로의 출력을 관리하는 회로, 및 관련 업계에 공지된 단락 회로 조건인 슈트-쓰루(shoot-through)와 같은 H-브리지(110)에서의 문제가 되는 상태를 방지하는 회로를 포함할 수 있다. H-브리지(110)는 하나 이상의 상태, 예를 들어 렌즈 단자가 개방되어 있는 것, 접지에 단락되어 있는 것, 또는 일 단자가 전압 증배기(108) 출력에 결합되고 다른 단자가 접지에 결합되어 급전되는 것, 또는 반대 극성들로 급전되는 것으로 구성될 수 있다. H-브리지(110)는 작동을 위해 가변 초점 광학계(112)에 에너지를 공급하고, 기본 전력으로 되돌아가게 하기 위해 가변 초점 광학계(112)를 방전시키며, 가변 초점 광학계(112)에 제공되는 바이어스의 극성을 토글하는 편리한 방법을 제공한다. 가변 초점 광학계의 둘 모두의 단자들을 접지시키는 것은 광학계(112) 내의 전하가 빠르게 제거되게 함으로써, 전하가 고절연 시스템을 통해 느리게 소산됨에 따라 긴 지연을 겪지 않고, 가변 초점 광학계(112)가 에너지가 공급되지 않는 초점 상태로 빠르게 변화하게 한다. 시스템 제어기(104)는 가변 초점 광학계(112)의 성능을 최적화하기 위해, 예를 들어 한 상태에서 너무 오랫동안 급전될 때 일어날 수 있는 과도한 전하 포집을 피하기 위해, H-브리지(110) 출력의 극성을 주기적으로 반전시킬 수 있다. 기능 블록이 예시 목적을 위해 도시되고 기술되어 있으며, 기능 블록들이 본 명세서에 기술된 전자 또는 급전식 안과용 장치에서 사용하도록 구체적으로 설계 및 구성된 렌즈 구동기의 기본 원리에 여전히 의존하면서 부가, 제거 또는 치환될 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다.
도 2는 가변 초점 광학계(250)를 갖는 급전식 안과용 렌즈에 결합된 예시적인 H-브리지 회로(200)를 도시한다. H-브리지 회로(200)는 가변 초점 광학계(250)에 인가되는 전압 전위를 제어하는 데 특히 유용하고, 가변 초점 광학계(250)로 전압을 스위칭하고, 가변 초점 광학계(250)를 가로질러 극성을 반전시키며, 가변 초점 광학계(250)를 접지시키는 데 사용될 수 있다. 예시적인 H-브리지(200)는 신호 조절 회로(210) 및 마이크로컨트롤러(212)에 의해 제어되는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 스위치(202, 204, 206, 208)를 포함한다. 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로컨트롤러(212)는 시스템 제어기(104)에 대응하고, 신호 조절 회로(210)는 H-브리지 제어기(106)에 대응한다. 마이크로컨트롤러(212)는 상태 기계, 또는 렌즈 구동기 회로를 제어할 수 있는 다른 장치로 대체될 수 있다. 신호 조절 회로(210)는 마이크로컨트롤러(212)와 H-브리지 사이의 인터페이스인데, 예를 들어 전압을 1.8 V 논리 수준으로부터 25 V 출력에 필요한 게이트 드라이브로 천이시킨다. 로우 전압 논리 수준이 약 0.9 볼트 정도로 낮을 수 있고, 하이 수준 게이트 드라이브 전압이 13 내지 60 볼트 사이에서 변할 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다. H-브리지를 형성하는 MOSFET 스위치(202, 204, 206, 208)의 게이트에 인가되는 전압에 대해 특유의 요건이 존재한다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 달리 말하면, 전형적인 시스템 제어기로부터의 로우 수준 출력 전압은 하이측 스위치(202, 204)를 오프시키는 데 불충분하다. 동일한 레그(leg) 상의 어떠한 2개의 스위치들(202와 208, 또는 204와 206)도 동시에 닫히지 않는 것을 보장함으로써 전류 소모를 최적화하는 데 신호 조절 회로(210)가 또한 필요하다. 가변 초점 광학계(250)는 H-브리지의 출력에 연결된다. H-브리지 입력은 고전압 발생기(214) 및 접지에 연결된다. 고전압 발생기(214)는 전압 증배기, 전하 펌프, 또는 기타 회로일 수 있다. H-브리지(110)의 요건 및 그의 구현에 이용된 기술에 따라, H-브리지의 구현 및 제어를 위해 부가의 회로(도시되지 않음)가 필요할 수 있다. 예를 들어, 고전압 발생기 출력 수준 및 시스템에서 이용가능한 바이어스 전압에 따라 부가의 스위치가 필요할 수 있다.
전형적인 동작에서, 가변 초점 광학계(250)의 일 측은 접지에 연결될 것인 반면, 다른 측은 고전압 발생기(214)에 연결된다. 이를 달성하기 위해, H-브리지를 형성하는 스위치(202, 204, 206, 208)가 올바른 온/오프 조합으로 활성화된다. 예를 들어, 스위치(202, 206)가 닫혀 있는 반면 스위치(204, 208)가 열려 있는 경우, 가변 초점 광학계(250)의 좌측은 고전압 발생기(214)에 연결되고 가변 초점 광학계(250)의 우측은 접지에 연결된다. 이는 가변 초점 광학계(250)가 충전되고 따라서 활성화될 수 있는 하나의 경우를 나타낸다. 가변 초점 광학계(250)를 비활성화시키기 위해, 스위치(202, 204)가 열리는 반면 스위치(208, 206)는 닫힌다. 이는 가변 초점 광학계(250)를 가로지른 임의의 전압 전위를 제거하고, 이는 가변 초점 광학계를 비활성화되게 한다. 다른 잠재적으로 유용한 상태는, 가변 초점 광학계(250)를 가로질러 전위를 인가하고, 가변 초점 광학계(250)가 전하를 축적하게 하며, 이어서 가변 초점 광학계(250)를 연결 해제시켜, 가변 초점 광학계를 저장된 전하만으로 활성화된 채로 유지되게 하는 것이다. 이는 H-브리지를 형성하는 모든 스위치(202, 204, 206, 208)를 여는 것에 의해 구현될 수 있다. 그러한 상태는, 고전압 발생기(214)가 디스에이블되어 있으면서 가변 초점 광학계(250)가 부유되어 있는 경우, 전류 소모의 추가 감소를 허용할 수 있다. 가변 초점 광학계(250) 커패시턴스 및 저항의 주의깊은 설계, 및 전자 시스템에서의 누설은 가변 초점 광학계(250)가 전하를 몇초 동안 저장할 수 있게 함으로써, 고전압 발생기(214)의 듀티 사이클, 따라서 평균 전류 소모를 감소시킬 수 있다.
도 3은 예시되어 다이오드-기반 전하 펌프 렌즈 구동기(300)의 개략도를 도시한다. 이 특정의 구성은 관련 업계의 당업자에게 디슥슨(Disckson) 전하 펌프로서 알려져 있다. 다이오드-기반 전하 펌프 또는 전하 펌프(300)는 입력(302, 304, 306)으로부터 급전되고 제어된다. 입력(306)은 전하 펌프(300)가 활성일 때 계속하여 온 상태인 일정 DC 전압원이다. DC 전압원이 오프로 스위칭될 때, 전하 펌프(300)는 비활성으로 되어 전류 소모를 절감한다. 입력(304, 302)은 바람직하게는 동작 동안 펄스로 나타나는 상보적 극성의 구형파 신호이다. 도 7은 이들 신호를 도시한다. 입력(302, 304, 306)은 마이크로컨트롤러, 하드웨어 논리 회로 또는 유사한 타이밍 장치로부터 구동될 수 있고, 전형적으로 제어 회로와 동일한 동작 전압, 예를 들어 3.5 V을 갖는다. 커패시터(308, 314, 318)는 전하 펌프(300)의 일 측을 형성하고, 입력(304)에 연결된다. 커패시터(310, 316)는 전하 펌프(300)의 다른 측을 형성하고, 입력(302)에 의해 제어된다. 다이오드(324, 326, 328, 330, 332, 334)는 전류가 하나의 방향으로만, 이 예에서는 좌측으로부터 우측으로 흐르게 한다. 전하 펌프(300)의 단일 스테이지는 다이오드 및 뒤이은 커패시터, 예를 들어 326 및 310을 포함한다. 입력(306)에 전압이 인가될 때, 전류가 다이오드(324)를 통해 흐르고 커패시터(308)에 축적된다. 초기에, 입력(304)은 로우이고, 따라서 커패시터(308)의 전압은 입력(306)의 전압에서 다이오드(324)를 가로지른 순방향 전압 강하를 뺀 것과 같도록 상승한다. 입력(304)이 상승할 때, 커패시터(308)의 상부판에서의 전압이 증가한다. 전류가 다이오드(324)를 통해 커패시터(308)로부터 역방향으로 흐를 수 없는데, 그 이유는 다이오드가 역방향 전류를 차단하기 때문이다. 커패시터(308)로부터의 전하는 다이오드(326)를 통과하고 커패시터(310)에 축적되기 시작한다. 이 사이클 동안, 입력(302)이 로우이기 때문에 커패시터(310)의 하부판은 로우이다. 304 및 302 입력이 토글될 때, 입력(302)에서의 하이 전압은 커패시터(310)의 상부판에서의 전위를 증가시킨다. 이는 후속의 스테이지에서 반복되는데, 여기서 전압은 각각의 스테이지에서 대략 공급 전압에서 순방향 다이오드 전압 강하를 뺀만큼 증가한다. 다이오드를 가로지른 전압 강하를 최소화하는 것이 전하 펌프의 변환 효율을 증가시키며, 따라서 더 낮은 순방향 전압을 갖는 다이오드, 예를 들어 쇼트키 다이오드가 전형적으로 이용된다는 것을 알 것이다. 따라서, 커패시터(320) 및 부하 저항기(322)로의 전하 펌프(300)의 출력에서, 존재하는 전압은 대략 공급 전압(입력(302, 304, 306)에 존재함)에 스테이지의 개수를 곱한 것에서 순방향 다이오드 전압 강하를 뺀 것과 대략 같다. 이 구현예에서, 공급 전압이 3.5 V인 경우, 출력 전압은 대략 21 V이다. 출력 커패시터(320)는 마지막 스테이지(커패시터(318) 및 다이오드(334))로부터의 전하를 축적한다. 기지의 방전 시간이 필요한 경우, 전하를 커패시터(320) 및 부하로부터 방출시키기 위해 부하 저항기(322)가 제공된다. 커패시터(320) 및 부하 저항기(322)와 병렬로 렌즈 부하가 배치된다. 따라서, 렌즈는 대략 3.5 V에서의 마이크로컨트롤러로부터의 직접 구동에 의해 가능한 것보다 훨씬 더 높은 전압인 대략 21 V를 받는다. 이 전압이 18 V와 20 V 사이에서 변할 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다.
도 4는 단자들을 가로질러 인가된 전압에 대한 2개의 급전식 안과용 렌즈들의 2개의 가변 초점 광학계들의 응답을 그래프로 나타낸다. 하나의 예시적인 설계에서, 제1 가변 초점 광학계는 실질적으로 원통형인 형상을 갖는 식염수 및 오일을 포함하는 상업적으로 이용가능한 장치이다. 이 제1 렌즈에 대한 전형적인 응답(402)에서, 인가된 전압이 임계치 기준점(404)에서 활성화 전압(이 예에서는 대략 16 V)을 초과하면 가변 초점 광학계의 광학 굴절력이 증가하기 시작한다. 이 전압이 대부분의 단일-셀 배터리 화학성상으로부터 이용가능한 전압을 훨씬 초과한다는 것을 알 것이다. 제1 가변 초점 광학계는 종점 기준(406)에서 최대 46 V의 선형 응답을 갖는다. 임계치 기준점(404)까지의 로우 전압에서, 제1 가변 초점 광학계는 비활성화된 상태에 있고, 기준 광학 굴절력을 갖는다. 임계 전압의 초과에서, 제1 가변 초점 광학계의 광학 굴절력이 증가한다. 임계 전압 및 광학 굴절력 대 인가 전압의 함수는 가변 초점 광학계 설계에 따라 변할 것이다. 노안 교정에 최적화된 제2 렌즈 설계가 함수(408)로 예시되어 있다. 이 예시적인 설계에 따르면, 제2 가변 초점 광학계는 실질적으로 구면 형상을 갖는 맞춤형 식염수 및 오일 광학계이다. 본질적으로, 이 제2 가변 초점 광학계는 식염수 및 오일 화학성상, 유전체 재료 및 기계적 설계에서 전술된 제1 가변 초점 광학계와는 상이하며, 따라서 본 명세서에 기술된 바와 같이 상이한 응답을 갖는다. 이 제2 가변 초점 광학계는, 아마도 가변 초점 광학계의 유체, 메커니즘 및 유전체 두께에 대한 최적화를 통해, 대략 12 V로 감소된 제2 임계치 기준점(410)을 갖는다. 안과용 장치의 고유의 저장 및 런타임 특성 대 초점 거리를 폭넓게 변화시키면서 수년 동안 동작해야만 하는 것인 구매가능한 전자 가변 초점 광학계의 고유의 저장 및 런타임 특성으로 인해, 가변 초점 광학계 및 렌즈 구동기 둘 모두의 추가적인 최적화가 가능할 수 있다. 제2 가변 초점 광학계는, 기준점(412)에서 대략 17 V가 인가되는 상태에서, +3 디옵터에서 포화된다. 이 포화 전압의 초과에서, 가변 초점 광학계 굴절력은 더 이상 인가 전압에 따라 가변적이지 않다. 노안 및 기본 근시 환자에 대한 설계는 디폴트로 원시 교정에 대해 음의 광학 굴절력으로 될 수 있다. 가변 초점 광학계의 기계적 및 화학적 설계에 기초하여 다른 기능이 가능하다. 대략 17 V의 초과에서, 광학 굴절력의 변화가 일어나지 않는다는 것을 알 것이다. 대응하여, 렌즈 구동기는 +/- 8 V의 전위 오차로 25 V에 도달하도록 설계될 수 있고, 그러한 렌즈 구동기는, 아마도 17 V와 33 V 사이의 관측가능한 차이 없이, 여전히 제2 가변 초점 광학계를 완전히 활성화시킬 것이다. 따라서, 렌즈 구동기는 입력 전압, 온도, 반도체, 및 기타 파라미터에 걸쳐 부정확한 제어 및 상당한 변동을 하도록 설계될 수 있다. 그러한 설계 절충은 렌즈 구동기가 보다 적은 전력 및 면적을 소비하는 보다 간단한 회로로 구현되게 한다.
렌즈 구동기가 개별 형태 또는 다양한 집적 수준이 가능한 집적 형태로 구현될 수 있다는 것을 알 것이다. 도 5는 회로 기판(500) 상의 본 발명에 따른 예시적인 개별 렌즈 구동기 회로에 대한 장치의 레이아웃을 도시한다. 회로 기판(500)은 바람직하게는 환상 고리의 형상으로 절단됨으로써, 렌즈, 예를 들어 콘택트 렌즈 또는 안내 렌즈에 포함시키기 위한 원추 섹션으로 형성되게 한다. 마이크로컨트롤러(550)는 내부 프로그래밍 및 다양한 센서의 상태에 따라 전하 펌프를 구동한다. 도 3에 대하여 기술된 바와 같이, 다이오드(502, 504, 506, 508, 510, 512)는 전류의 역방향 흐름을 차단하고, 전하가 전하 펌프에서 하나의 스테이지로부터 그 다음의 스테이지로 지나가게 한다. 커패시터(520, 522)는 302 입력(도 3)에 연결되는 반면, 커패시터(514, 516, 518)는 304 입력(도 3)에 연결된다. 부하 커패시터(524) 및 부하 저항기(526)가 렌즈 구동기 출력에 병렬로 존재한다. 트레이스 및 비아(528)는 렌즈 구동기 출력을 회로 기판(500) 상의 탭(tab)(530)에 연결시킨다. 이 탭(530)은 제위치로 구부러지고, 전도성 에폭시에 의해 렌즈의 일 측에 부착될 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 시스템 블록도(600)는 예시적인 렌즈 구동기가 전자 광학 시스템과 어떻게 인터페이싱하는지를 도시한다. 예시적인 시스템(600)은 배터리(602) 또는 임의의 다른 적합한 전원을 포함한다. 이 응용에서, 전원(602)은 경합하는 시스템 요건, 예를 들어 작은 크기에 의해 전압 및 전류에 대해 제약된다. 전원(602)이 전력 관리 블록(604)에 인가되고, 전력 관리 블록은 조절된 출력을 제공하고, 정의된 배터리 차단 임계치에서 부하를 오프로 스위칭하며, 배터리 충전 및 기타 적당한 기능을 허용할 수 있다. 시스템 제어 블록(606)은 이벤트 타이밍 및 활성화를 담당한다. 이는 마이크로컨트롤러, 상태 기계 또는 기타 회로로서 구현될 수 있다. 시스템 제어 블록(606)은 원하는 가변 초점 광학계 상태를 판정하기 위해 센서 회로를 포함하거나 그와 인터페이싱할 수 있다. 렌즈 구동기(608)는 시스템 제어 블록(606)으로부터 제어 신호를 수신하고, 전력 관리 블록(604)으로부터 또는 아마도 전원(602)으로부터 직접 전력을 받는다. 렌즈(610)는 렌즈 구동기(608)에 연결된다. 렌즈 구동기(608)는, 프로그래밍 인터페이스(610) 및 이벤트 제어 블록(618) 각각을 통하여, 전하 펌프(612)를 통해 전압을 증가시키고, 전압 조절기(614)를 통해 전압을 조절하며, 극성을 토글하고, 렌즈를 접지시키며, 렌즈를 부유시키는 등의 기능을 포함할 수 있다.
도 7은 도 3에 도시된 것과 같은 예시적인 전하 펌프(300)에 대한 샘플 입력 파형을 도시한다. 파형(700)은 배터리로부터의 일정한 DC 전압, 예를 들어 3.5 V이다. 전하 펌프가 동작하고 있지 않을 때, 신호(700)가 오프로 스위칭될 수 있다. 파형(702, 704)은, 예를 들어 접지와 3.5 V 사이에서 토글하는 상보적 신호이다. 하나의 절반 사이클에서, 702는 하이인 반면, 704는 로우이다. 이는 전하 펌프 내의 한 세트의 커패시터가 충전되게 한다. 다른 절반 사이클에서, 702는 로우인 반면, 704는 하이이다. 이는 다른 세트의 커패시터가 충전되게 한다. 각각의 커패시터가 충전됨에 따라, 직렬 다이오드들을 가로질러 전압 전위차가 생성된다. 다이오드가 역방향으로의 전류 흐름을 방지하기 때문에, 전위는 소스를 향한 전류 흐름을 생성할 수 없다. 전위는 전류가 다이오드를 통해 부하를 향해 흐르게 한다. 각각의 스테이지에서, 대략 3.5 V에서 손실 계수만큼 뺀만큼 전압이 증가된다.
도 8은, 도 3과 관련하여 도시되고 기술된 개별 다이오드 대신에, 다이오드로서 연결된 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 사용하는 대안의 예시적인 렌즈 구동기(800)를 도시한다. 이러한 구현이 집적 회로에서 보다 통상적이지만, 본 명세서에 기술된 본 발명에 따른 렌즈 구동기에 대해 다른 회로가 가능하고 이용될 수 있다. 클록 입력(830, 832)은 전하 펌프 커패시터를 구동하는 상보적 신호, 즉 도 3에 예시된 302와 304, 및 도 7에 예시된 702와 704를 나타낸다. 클록 버퍼 스테이지(802)는 렌즈 구동기(800)의 다이오드 및 스위치를 배제한다. 스위치에서의 슈트-쓰루 전류를 방지하기 위해 그리고 전하 펌프(800)의 적당한 동작을 보장하기 위해 비중복 클록이 필요하다. 본 도면에서, 시뮬레이션 파라미터에서 비중복 클록이 정의된다. 당업자는 클록이 디지털 제어 블록에서 또는 당업계에 공지된 다른 비중복 클록 발생 회로에 의해 발생될 수 있다는 것을 알 것이다. 전원(826, 828)은 전력 공급 입력, 즉 도 3에 예시된 306, 및 도 7에 예시된 700을 나타낸다. 커패시터(804, 806, 808, 810, 812, 814, 816, 818, 820, 822, 824)는 MOSFET(834, 836, 838, 840, 842, 844, 846, 848, 850, 852, 854, 856)들 사이에 위치된다. MOSFET 스위치(834 내지 856)는 벌크 단자들이 접지에 접속되어 있는 것으로 이해되는 3-단자 장치로서 예시되어 있다. MOSFET에서의 비이상성, 예를 들어 켜짐 전압 및 보디 효과(body effect)를 고려하여 전하 펌프(800)의 동작을 최적화하기 위해 부가의 회로가 필요하다. 예를 들어, 전하 펌프(800)에 전압이 축적됨에 따라 MOSFET 벌크 단자가 보다 높은 전압에서 바이어스될 수 있다. 본 명세서에 기술된 예시적인 렌즈 구동기를 위한 적절한 회로에서, MOSFET는 바람직하게는 특별한 고전압 반도체 제조 공정에서 장치들의 라이브러리로부터 적절히 선택될 것이다. 예를 들어, 그러한 MOSFET는 바람직하게는 게이트 산화물 및 전하 펌프에 의해 생성된 전압에 견디도록 충분히 높은, 즉 출력에서 60 볼트 이상 정도로 높은 드레인-소스 항복 전압을 갖는다. 전형적인 상보적 금속 산화물 반도체(CMOS) 공정에서 사용되는 표준 장치는 이 예시적인 렌즈 구동기에 대해 충분한 항복 전압 능력을 갖지 않을 것이다. 따라서, 고전압 및 고전압 MOSFET의 사용으로 인해, 아마도 게이트 및 양호한 바이어싱을 포함하는 구동 파형이 기술된 회로에 적절해야 한다. 고전압의 파운드리-고유(foundry-specific) 장치 모델 및 구동 회로가 이 예시에 도시되어 있지 않지만, 당업자는 이들 장치로 적절히 설계할 필요가 있다는 것을 알 것이다.
도 9는 도 8의 예시적인 시스템에서 최종적인 출력 전압과 함께 각각의 커패시터의 상부판 노드에서의 시뮬레이션된 전압 대 시간을 나타낸다. 이 예 또는 시뮬레이션에서, 렌즈 구동기는 10 밀리초 내에 부하를 대략 43 V로 충전시킨다. 부하는 100 피코패럿과 병렬인 2 기가오옴, 즉 실험실 측정치로부터 개발된 렌즈의 모델이다. 도 8에 도시된 개략도는 각각의 스테이지의 커패시터에 대해 1 pF으로 1 ㎑의 클록 주파수에서 동작되었다.
이제 도 10을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 렌즈 구동기를 포함하는 전자 삽입물을 갖는 예시적인 콘택트 렌즈가 도시되어 있다. 예시적인 콘택트 렌즈(1000)는 전자 삽입물(1004)을 포함하는 연질 플라스틱 부분(1002)을 포함한다. 이 전자 삽입물(1004)은, 예를 들어, 활성화에 따라 가까이 또는 멀리 초점을 맞추는 본 명세서에 기술된 전자기기에 의해 활성화되거나 제어되는 렌즈(1006)를 포함한다. 회로(1008)는 삽입물(1004) 상에 장착되고, 하나 이상의 전기 상호접속 트레이스(1012)를 통해 배터리와 같은 전원(1010)에 접속된다. 부가의 회로가 또한 전기 상호접속 트레이스(1012)를 통해 접속될 수 있다. 회로(1008)는 하나 이상의 센서(1014)를 비롯한 본 명세서에 기재된 구성요소들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
당업자는 가변 초점 렌즈 시스템의 추가의 실시예 및 변형례가 가능하다는 것을 알 것이다. 전압 증배기로의 입력은 전원에 직접 결합될 수 있거나, 전압 조절기의 출력에 결합될 수 있다. 시스템은 렌즈 단자 전압의 융통성 있는 제어를 제공하기 위해 H-브리지를 포함할 수 있거나, 시스템은 다른 단자가 접지된 상태에서 하나의 단자로의 간단한 스위치만을 포함할 수 있거나, 시스템은 렌즈가 전압 증배기 출력에 하나의 방식으로 항상 결합된 상태에서 스위치를 포함하지 않을 수 있다. 각각의 변형례가 시스템 비용, 면적 및 성능 또는 효율 사이의 상이한 절충을 제공할 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, 전자기기 및 전자 상호접속부는 광학부에서보다는 콘택트 렌즈의 주변부에서 제조된다. 대안의 예시적인 실시예에 따르면, 전자기기의 위치설정이 콘택트 렌즈의 주변부로 제한될 필요가 없다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 본 명세서에 기술된 모든 전자 구성요소는 박막 기술 및/또는 투명 재료를 이용하여 제조될 수 있다. 이들 기술이 이용되는 경우, 전자 구성요소는, 광학계와 호환되는 한, 임의의 적합한 위치에 배치될 수 있다.
본 명세서에 기술된 회로가 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다.
게다가, 본 명세서에 사용된 회로판은 니켈-금 표면 마무리를 갖는 가요성 폴리이미드 기판 상의 구리 트레이스를 비롯한 임의의 적합한 기판을 포함할 수 있다.
가장 실현가능하고 바람직한 실시예로 여겨지는 것이 도시되고 기술되지만, 기술되고 도시된 특정 설계 및 방법으로부터 벗어나는 것이 당업자에게 연상될 것이고 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남 없이 사용될 수 있다는 것은 명백하다. 본 발명은 설명되고 예시된 특정 구성으로 제한되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 포함될 수 있는 모든 변형과 일관성 있도록 구성되어야 한다.

Claims (24)

  1. 안과용 기구로서,
    눈 내부 또는 눈 상부 중 적어도 하나에서 사용하도록 구성된 안과용 장치;
    상기 안과용 장치에 포함되는 광학계 요소로서, 시력 교정 및 시력 향상 중 적어도 하나를 위해 구성가능한 전자적으로 제어되는 초점 거리를 가지는, 상기 광학계 요소, 및
    상기 안과용 장치에 포함되는 전자 시스템으로서, 상기 전자 시스템은 하나 이상의 전원, 상기 하나 이상의 전원의 출력을 조절하기 위한 전력 관리 장치, 시스템 제어기, 및 렌즈 구동기를 포함하는, 상기 전자 시스템을 포함하고,
    상기 시스템 제어기는 상기 전력 관리 장치로부터 전력을 수신하고, 제어 및 타이밍 신호를 상기 전력 관리 장치로 제공하고, 상기 렌즈 구동기로부터 피드백 신호를 수신하고,
    상기 렌즈 구동기는 상기 전력 관리 장치로부터 조절된 전력 출력을 수신하고 상기 시스템 제어기로부터 제어 및 타이밍 신호을 수신하고, 상기 렌즈 구동기는 전압 조절기, 상기 전압 조절기로부터 전압을 증가시키기 위한 전하 펌프, 상기 광학계 요소에 대한 전압 전위를 제어하고 상기 광학계 요소에 대한 전압 전위의 극성을 반전시키며, 상기 광학계 요소를 접지시키도록 구성된 H-브리지 회로, 및 제어 장치를 포함하는, 안과용 기구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 안과용 장치는 콘택트 렌즈를 포함하는, 안과용 기구.
  3. 제2항에 있어서, 상기 콘택트 렌즈는 소프트 콘택트 렌즈를 포함하는, 안과용 기구.
  4. 제2항에 있어서, 상기 콘택트 렌즈는 하이브리드 소프트/경성(rigid) 콘택트 렌즈를 포함하는, 안과용 기구.
  5. 제1항에 있어서, 상기 안과용 장치는 안내(intraocular) 렌즈를 포함하는, 안과용 기구.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 광학계 요소는 2개의 초점 거리들 중 하나에서 동작하는, 안과용 기구.
  12. 삭제
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  14. 삭제
  15. 삭제
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  17. 제1항에 있어서, 상기 전자 시스템은 집적 회로 상에서 구현되는, 안과용 기구.
  18. 삭제
  19. 제1항에 있어서, 상기 광학계 요소는 액체 메니스커스 렌즈(liquid meniscus lens)를 포함하는, 안과용 기구.
  20. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 전원은 배터리를 포함하는, 안과용 기구.
  21. 제17항에 있어서, 상기 집적 회로는 회로 기판 상에 포함되는 것 또는 회로 기판 내에 포함되는 것 중 적어도 하나인, 안과용 기구.
  22. 제21항에 있어서, 상기 회로 기판은 환상 고리로서 구성되고 콘택트 렌즈 내에 포함시키기 위한 원추 섹션으로 형성되는, 안과용 기구.
  23. 제21항에 있어서, 상기 회로 기판은 환상 고리로서 구성되고 안내 렌즈 내에 포함시키기 위한 원추 섹션으로 형성되는, 안과용 기구.
  24. 제21항에 있어서, 상기 회로 기판은 금속화된 트레이스를 갖는 중합체 또는 플라스틱 삽입물 중 적어도 하나를 포함하는, 안과용 기구.
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