WO2005091624A1

WO2005091624A1 - 自動利得制御回路

Info

Publication number: WO2005091624A1
Application number: PCT/JP2004/003527
Authority: WO
Inventors: Asao Kokubo; Hiroshi Daiku; Yutaka Takeda; Norihiro Yoshida
Original assignee: Fujitsu Limited
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-09-29
Also published as: CN1922867A; EP1727360A1; US20060256207A1; CN100438581C; EP1727360A4; EP1727360B1; US7626616B2; JPWO2005091624A1; JP4364903B2

Abstract

自動利得制御回路（２９）は、イメージセンサからフレーム毎に出力される輝度データの平均輝度（Ｙ１）と目標輝度（Ｔ）との比較に基づいてイメージセンサを露光する積分時間を調整する積分時間調整信号（Ａ２）と、イメージセンサの出力信号を増幅するアンプの利得を調整する利得調整信号（Ａ１）と、フレームレートを変更するためのフレームレート調整信号を生成する。自動利得制御回路は、各フレームのブランキング時間（ＢＲ）を調整して、イメージセンサの最大積分時間（MAX-EXP）を切換える最大積分時間調整信号（Ａ４）をフレームレート調整信号として生成する露出制御回路（３５）を含む。

Description

明細書自動利得制御回路

[技術分野]

本発明は、

、はデジタルビデオカメラ等の画像機器に搭載されるイメージセンサの露光制御に使用される自動利得制御（ A G C： Auto Ga i n Contro l ) 回路に関するものである。

イメージセンサ（C C Dあるいは CM O S ) を用いたカメラシステムでは、撮像された被写体の明るさに対し、露出を自動的に捕正する A G C機能が備えられたものが多い。この A G C機能は、撮像された画面の輝度を算出し、目標となる輝度との差に基づいて露出補正を行う。露出を調整するには、撮像素子の出力信号を増幅する増幅器の利得の調整、あるレヽは露光時間を調整することにより行われる。このような A G C機能において、露出調整動作の円滑化及び露出調整範囲の拡大が必要となっている。

[背景技術]

、はデジタルビデオカメラ等の画像機器に搭載される A G C回路では、高輝度から低輝度まで広範囲な輝度の撮像対象に対応するため、撮像対象の輝度に合わせてフレームレートを動的に調整することが行われている。このようなフレームレー卜の変更ま、ィメージセンサを制御するクロック信号を変更することにより行われる。すなわち、イメージセンサのクロック信号は、基準クロック信号を分周することにより生成され、その分周比を変更することによりクロック信号の変更が行われる。

図 1 0に基準クロック信号の分周信号に基づいてフレームレートを変更する A G C回路の従来例を示す。

同図において、ィメージセンサブ口ック 1は、 C MO Sィメ一ジセンサ等の多数の光電変換素子からなる素子アレイ 2と、アンプ 3と、 A D変換器 4と、タイミング制御回路 5及ぴ分周回路 6を含む。分周回路 6は、基準クロック信号 S C L Kを分周して内部クロック信号 C L K を生成し、タイミング制御回路 5に供給する。タイミング制御回路 5は、内部クロック信号 C L Kに基づいて水平 ·垂直同期信号 H Vを生成するとともに、素子アレイ 2にリセット信号及び読み出し信号等を出力する。

素子アレイ 2は、リセット信号及ぴ読み出し信号に基づいて、各光電変換素子に対し行毎にリセット動作及び読み出し動作を行い、その読み出しデータをアンプ 3に順次供給する。アンプ 3は、読み出しデータを増幅し、 AD変換器 4はァンプ 3の出力信号をデジタル値に変換して輝度データ B Dを生成する。

A G C回路 7は、加算器 8、フリップフロップ回路 9、除算器 1 0及び露出制御回路 1 1を含む。

加算器 8には AD変換器 4から供給される輝度データ B Dが入力される。そして、加算器 8、フリップフロップ回路 9及び除算器 1 0の動作により、 1フレーム分の平均輝度 Y 1が算出される。このような動作は、イメージセンサブロック 1から供給される水平 ·垂直同期信号 HVに基づいて、イメージセンサブ口ック 1の動作と同期して行われる。

露出制御回路 1 1には.、除算器 1 1から供給される平均輝度 Y 1と、あらかじめレジスタ等の記憶装置に設定された目標輝度 τとが入力される。そして、露出制御回路 1 1は、目標輝度 Tと平均輝度 Y 1 との差に基づいて、アンプ 3に利得調整信号 A 1を供給し、タイミング制御回路 5に積分（露光）時間調整信号 A 2 を供給し、分周回路 6に分周比設定信号 A 3を供給する。

アンプ 3は利得調整信号 A 1に基づいて利得を調整し、タイミング制御回路 5 は積分（露光）時間調整信号 A 2に基づいて、各素子に供給されるリセット信号と読み出し信号との間の時間間隔である積分時間を調整し、分周回路 6は分周比設定信号 A 3に基づいて分周比を設定する。

このように構成された A G C回路は、露出制御回路 1 1に入力される平均輝度 Y 1と目標輝度 Tとに差がある場合には、露出制御回路 1 1から供給される利得調整信号 A 1と、積分時間調整信号 A 2と、分周比設定信号 A 3に基づいて、平均輝度 Y 1を目標輝度 Tに一致させるような制御を行う。

すなわち、利得調整信号 A 1に基づくアンプ 3の利得の調整と、積分時間調整信号 A 2に基づく積分時間の調整と、分周比設定信号 A 3に基づくフレームレートの変更との組み合わせに基づくトータルゲインの調整により、平均輝度 Y 1の調整が行われる。

そして、撮像対象が高輝度である場合には、積分時間の調整のみに基づいてト一タルゲインの変更が行われ、撮像対象が中輝度あるいは低輝度である場合には、積分時間の調整と、フレームレートの変更と、アンプ 3の利得の調整とに基づいてトータルゲインの変更が行われる。

図 1 1は、上記のような A G C回路において、各フレームの平均輝度 Y 1が目標輝度 Tより低い場合に、アンプ 3の利得 G 1の調整と、フレームレート Fしの変更とに基づいて平均輝度 Y 1を調整する動作を示す。

例えばフレームレート F Lが 3 O fps で動作している状態で、平均輝度 Y 1が目標輝度より低いと、利得調整信号 A 1に基づいてアンプ 3の利得 G 1が引き上げられ、これにともなって平均輝度 Y 1が上昇する。

アンプ 3の利得 G 1があらかじめ設定された所定レベルに達しても目標輝度 T に達しないと、フレームレート F Lが 3 O fpsから 1 5 fpsに変更される。すると、積分時間が 2倍となるため、瞬間的に平均輝度 Y 1が 2倍に上昇する。

平均輝度 Y 1が目標輝度 Tを越えると、アンプ 3の利得 G 1が引き下げられ、平均輝度 Y 1が低下する。そして、所定時間経過後に平均輝度 Y 1が目標輝度 T より高いと、再びフレームレート F Lが 1 5 fpsから 3 O fpsに変更され、アンプ 3の利得 G 1が引き上げられる。

次いで、所定時間後に平均輝度 Y 1が目標輝度 Tに達していないと、フレームレート F Lが 3 O fpsから 1 5 fpsに再ぴ変更される。

このような動作により平均輝度 Y 1が目標輝度 Tに一致すると、アンプ 3の利得 G 1及ぴ平均輝度 Y 1が一定レベルに収束する。

また、撮像対象が高輝度であるとき、トータルゲインの調整は積分時間調整信号のみに基づいて行われる。図 1 2は、積分時間調整信号 A 2のみに基づいてト一タルゲインを調整する場合の露光時間の変化を示す。この露光時間は、分周回路から供給されるクロック信号のパルス数に基づいて制御されるため、露光時間はトータルゲインの値に比例する。上記のように、基準クロック信号 S C L Kを分周して、タイミング制御回路 5 に入力される内部クロック信号 C L Kを変更することによりフレームレートを変更する構成では、 2の整数乗の比でフレームレートが変更される。すると、低輝度の撮像対象に対応してフレームレートが低下するとき、撮像対象の動作に対する応答性が低下して画像にぶれが生じる等、画像の滑らかさが損なわれるという問題点がある。

そして、図 1 1に示すように、フレームレートが切換えられたとき、トータノレゲインが瞬間的に変化するため、撮像された画像の平均輝度 Y 1の変動が大きく、露光制御を円滑に行うことができないとともに、平均輝度 Y 1に収束するまでの時間が長くなる。

また、フレームレートの変更に基づいて内部ク口ック信号 C L Kが変化するため、その内部クロック信号 C L Kの変動にともない、画像の出力タイミングもダイナミックに変動する。従って、画像を送受信するシステム間で同期をとるための構成が複雑となる。

また、図 1 2に示すように、トータルゲインが最小の領域では、トータルゲインを 1から 2に変更して積分時間調整信号 A 2のみに基づいて露光時間を調整するとき、その露光時間も 1から 2に変更される。この露光時間を 1に設定するとは、露光時間を内部クロック信号 C L Kの 1パルス分に設定し、リセット信号と読み出し信号との間隔を内部ク口ック信号 C L Kの 1パルス分に設定することを意味する。

従って、最短の露光時間である 1から次の露光時間である 2に変化するとき、平均輝度が 1 Z 2以上変化しないと露光制御が行われない。つまり、最短露光時間で動作している状態から平均輝度が低下して次の露光時間に変化するとき、撮像される画像の輝度が瞬間的に変化するため、円滑な露光制御を行うことができない。

このようなことから、素子アレイ 2を構成する光電変換素子の許容露光時間範囲のうち、最短露光時間付近は使用されていない。従って、高輝度側の露光制御において、イメージセンサの性能を十分に活用することができず、露光制御範囲が制限されているという問題点がある。本発明の目的は、撮像される画像の輝度の変動に対する露光制御を円滑化し、かつ撮像対象の輝度に対する露光制御範囲を拡大し得る A G C回路を提供することにある。

[発明の開示]

本発明の第一の態様において、ィメージセンサからフレーム単位で出力される輝度データの平均輝度と目標輝度との比較に基づいて、イメージセンサを露光する積分時間を調整する積分時間調整信号と、イメージセンサの出力信号を増幅するアンプの利得を調整する利得調整信号と、フレームレートを変更するためのフレームレート調整信号を出力する自動利得制御回路が提供される。自動利得制御回路は、各フレームのブランキング時間を調整して、イメージセンサの最大積分時間を切換える最大積分時間調整信号をフレームレート調整信号として出力する露出制御回路を含む。

本発明の第二の態様において、ィメージセンサからフレーム単位で出力される輝度データを受け取り、ィメージセンサを露光する積分時間とィメージセンサの出力信号を増幅するアンプの利得とを調整する自動利得制御回路が提供される。自動利得制御回路は、平均輝度と目標輝度とに基づいてトータルゲインを算出するトータルゲイン計算回路と、トータルゲインと最大積分時間調整信号とに基づいて、積分時間を調整する積分時間調整信号と、アンプの利得を調整する利得調整信号とを生成するデコード回路と、利得調整信号と基準利得値との比較に基づいて最大積分時間を切換えるための最大積分時間調整信号を生成するとともに、最大積分時間の切換えに関連する選択信号を生成する最大積分時間切換え回路と、トータルゲイン計算回路とデコード回路との間に接続され、最大積分時間切換え回路からの選択信号に基づいて、最大積分時間の変化が相殺されるようにトータルゲインを補正するトータルゲイン補正回路とを含む。

本発明の第三の態様において、ィメージセンサからフレーム単位で出力される輝度データを受け取り、ィメージセンサを露光する積分時間とィメージセンサの出力信号を増幅するァンプの利得とを調整する自動利得制御回路が提供される。自動利得制御回路は、平均輝度と目標輝度とに基づいてトータルゲインを算出するトータルゲイン計算回路と、トータルゲインと最大積分時間調整信号とに基づいて、積分時間を調整する積分時間調整信号と、アンプの利得を調整する利得調整信号とを生成するデコード回路と、利得調整信号と基準利得値との比較に基づいて最大積分時間を切換えるための最大積分時間調整信号を生成するとともに、最大積分時間の変化を示すレート信号を生成する最大積分時間切換え回路と、ト一タルゲイン計算回路とデコード回路との間に接続され、最大積分時間切換え回路からのレート信号に基づいて、最大積分時間の変化が相殺されるようにトータルゲインを補正するトータルゲイン補正回路とを含む。

本発明の第四の態様において、イメージセンサから検出される輝度情報により、イメージセンサの出力信号を増幅するアンプの利得と、フレームレートとを変更する自動利得制御回路が提供される。自動利得制御回路は、フレームレートの変更を行う際に、該変更の変化の比の略逆数の変化の利得変更をアンプに与える利得変更回路を含む。

[図面の簡単な説明]

図 1は、本発明の第一の実施の形態の A G C回路及びイメージセンサブ口ックを示すブロック図である。

図 2は、図 1の A G C回路の露出制御回路を示すブロック図である。

図 3は、最大積分時間の調整動作を示す説明図である。

図 4は、図 1の A G C回路のシーケンス回路の動作を示す説明図である。図 5は、図 1の A G C回路のシーケンス回路と第一の選択回路の動作を示す説明図である。

図 6は、図 1の A G C回路の第二の選択回路の動作を示す説明図である。図 7は、平均輝度の調整動作を示す説明図である。

図 8は、トータルゲインで調整されるァンプゲインと露光時間の関係を示す説明図である。

図 9は、本発明の第二の実施の形態の A G C回路の露出制御回路を示す説明図である。

図 1 0は、従来例の A G C回路を示すブロック図である。図 1 1は、図 1 0の A G C回路における平均輝度の調整動作を示す説明図である。

図 1 2は、図 1 0の A G C回路においてトータルゲインで調整されるアンプゲインと露光時間との関係を示す説明図である。

図 1 3は、カラープロセッサ I Cを示すブロック図である。

[発明を実施するための最良の形態]

(第一の実施の形態）

図 1 3は、本発明の AG C回路が搭載されるカラープロセッサ I Cの概要を示す。イメージセンサブロック 2 1の出力信号は、オフセット電圧補正回路 2 2、レンズシェーディング補正回路 2 3、不良画素補正回路 2 4、 R G B補間処理回路 2 5、色捕正回路 2 6、輪郭強調回路 2 7、偽色補正回路 2 8を介して A G C 回路 2 9及ぴフリツ力ノイズキャンセル回路 3 0に供給される。

また、偽色補正回路 2 8の出力信号は、ガンマ補正回路 3 1及び解像度変換回路 3 2を介して出力フォーマツト変換回路 3 3から映像データ信号 Gout として出力される。

A G C回路 2 9は、イメージセンサブ口ック 2 1から出力される出力信号の輝度を所定の輝度に維持するように動作する。その A G C回路 2 9及びイメージセンサブロック 2 1の構成を図 1に従って説明する。なお、同図において、図 1 0 に示す従来例と同一構成部分は同一符号を付して説明する。また、 A G C回路 2 9はフリッカノイズキャンセル回路 3 0の出力信号を入力し、フリツ力ノイズキヤンセル動作に寄与するが、本発明はフリッカノイズキャンセル動作とは関係しないので、図 1において、 A G C回路 2 9におけるフリツ力ノイズキャンセル動作に関与する部分及びその説明を省略する。

イメージセンサブロック 2 1は、素子アレイ 2と、アンプ 3と、 A D変換器 4 と、タイミング制御回路 3 4とを含む。タイミング制御回路 3 4は、基準ク口ック信号 S C L Kを入力し、その基準クロック信号 S C L Kに従って水平 ·垂直同期信号 HVを生成するとともに、素子アレイ 2にリセット信号及び読み出し信号等を供給する。素子ァレイ 2は行列配置された複数の光電変換素子を含み、リセット信号及び読み出し信号に従つ.て各光電変換素子に対し、行毎にリセット動作及び読み出し動作を行い、その読み出しデータをアンプ 3に順次供給する。アンプ.3は、読み出しデータ（アナログ信号）を増幅し、 A D変換器 4はアンプ 3のアナログ出力信号をデジタル値に変換してデジタル信号を生成する。

0〇回路2 9は、加算器 8、フリップフロップ回路 9、除算器 1 0及ぴ露出制御回路 3 5を含む。

加算器 8は A D変換器 4の出力信号を輝度データ B Dとして入力する。加算器 8、フリップフロップ回路 9及び除算器 1 0の動作により、 1フレーム分の平均輝度 Y 1が算出される。このような動作は、イメージセンサブロック 2 1から出力される水平 ·垂直同期信号 H Vに従ってイメージセンサプロック 2 1の動作に同期して行われる。

露出制御回路 3 5には、除算器 1 1から供給される平均輝度 Y 1と、レジスタ等の記憶装置に予め設定された目標輝度 Tとが入力される。そして、露出制御回路 3 5は、目標輝度 Tと平均輝度 Y 1との差に基づいて、アンプ 3に利得調整信号 A 1を供給し、タイミング制御回路 3 4に積分（露光）時間調整信号 A 2及ぴ最大積分時間調整信号 A 4を供給する。

従って、アンプ 3は利得調整信号 A 1に従って利得を調整する。タイミング制御回路 3 4は積分（露光）時間調整信号 A 2に従って各素子に供給されるリセット信号と読み出し信号との時間間隔である積分時間を調整する。また、タイミング制御回路 3 4は最大積分時間調整信号 A 4と、内蔵力ゥンタ回路 3 6の基準ク口ック信号 S C L Kのカウント値とに基づいて 1フレーム分の時間を設定する。すなわち、図 3に示すように、最大積分時間調整信号 A 4に基づいて、最大積分時間 MAX - EXPが「5 1 2」に設定されると、タイミング制御回路 3 4は基準クロック信号 S C L Kの 5 1 2パルスに相当する時間（1 5 fps に相当）を 1フレームに設定する。そして、タイミング制御回路 3 4は、その 1フレーム内のァクティブ期間 A C内で垂直同期信号に基づいてリセット信号及び読み出し信号を出力する。

また、最大積分時間調整信号 A 4に基づいて、最大積分時間 MAX- EXPが「1 0 2 4」に設定されると、タイミング制御回路 3 4は基準クロック信号 S C L の 1 0 2 4パルスに相当する時間（7 . 5 fps に相当）を 1フレームに設定する。そして、タイミング制御回路 3 4は、その 1フレーム内のアクティブ期間 A C内で垂直同期信号に基づいてリセット信号及び読み出し信号を出力する。

このとき、タイミング制御回路 3 4は、最大積分時間調整信号 A 4に基づいて各フレームのアクティブ期間 A Cは変化させず、プランキング期間 B Rのみを変ィ匕させる。そして、最大積分時間 MAX- EXPが「1 0 2 4」に設定されたとき、各素子アレイ 2内の各素子の積分時間は、最大積分時間 MAX- EXPが「5 1 2」に設定された場合の 2倍の時間の範囲で調整可能となる。

このように構成されたイメージセンサブロック 2 1は、露出制御回路 3 5に入力される平均輝度 Y 1と目標輝度 Tとに差がある場合には、露出制御回路 3 5から出力される利得調整信号 A 1と、積分時間調整信号 A 2と、最大積分時間調整信号 A 4とに基づいて、平均輝度 Y 1が目標輝度 Tに一致するような制御を行う露出制御回路 3 5の具体的構成を図 2に示す。シーケンス回路 3 7にはレジスタ（記憶装置） 3 8 a , 3 8 bに格納された第一及び第二の利得基準値 G s 1 , G s 2と、レジスタ 3 8 cに格納されたヒステリシス値 HY Sとが供給される。減算部 3 9 a， 3 9 bは第一及ぴ第二の利得基準値 G s i , G s 2をそれぞれ 6 dB分減衰させた減衰値を生成し、その減衰値をシーケンス回路 3 7に供給する。そして、シーケンス回路 3 7は後記デコード回路 4 5から供給される利得調整信号 A 1により設定される利得値 Gと各値との比較に基づいて図 4に示す状態遷移図に従って動作し、第一〜第三の選択信号 SEL1〜SEL3を生成する。

第一の選択信号 SEL1は、第一の選択回路 4 0に供給される。乗算器 4 1 aは、レジスタ 3 8 dに格納されている基準最大積分時間 MAX- EXPSを 1倍して、基準最大積分時間 MAX- EXPSを第一の選択回路 4 0に供給する。乗算器 4 1 bは、基準最大積分時間 MAX- EXPSを 2倍して、 2倍の基準最大積分時間 MAX- EXPSを第一の選択回路 4 0に供給する。乗算器 4 1 cは、基準最大積分時間 MAX- EXPSを 4倍して、 4倍の基準最大積分時間 MAX- EXPSを第一の選択回路 4 0に供給する。

図 4に示すように、シーケンス回路 3 7は、利得値 Gが第一の基準利得値 G a 1より小さいとき、状態 S Iに設定される。この状態から、利得値 Gが上昇して、第一の基準利得値 G a 1とヒステリシス値 HY Sとの和を超えると、シーケンス回路 3 7は、状態 S 2に遷移する。

この状態から、利得値 Gがさらに上昇して、第二の基準利得値 G a 2とヒステリシス値 HY Sとの和を超えると、シーケンス回路 3 7は、状態 S 3に遷移する状態 S 3から、利得値 Gが低下して、第二の基準利得値 G a 2から 6 dB分及びヒステリシス値 HY S分低下した値を下回ると、シーケンス回路 3 7は、状態 S 2に遷移する。

状態 S 2からさらに利得値 Gが低下して、第二の基準利得値 G a 1から 6 dB分及びヒステリシス値 HY S分低下した値を下回ると、シーケンス回路 3 7は、状態 S 1に遷移する。

図 5は、上記のような動作を行うシーケンス回路 3 7の動作の一例を示すタイミングチャートである。フレーム 1 , 2でシーケンス回路 3 7が状態 S 1であるとき、第一の選択回路 4 0は第一の選択信号 SEL1に従って最大積分時間 MAX- EXP 基準最大積分時間 MAX-EXPS x 1を最大積分時間 MAX - EXPとして選択し、 MAX-EXPS X 1に対応する最大積分時間調整信号 A 4を出力する。 . 次いで、フレーム 3 , 4でシーケンス回路 3 7が状態 S 2に遷移すると、第一の選択回路 4 0は第一の選択信号 SEL1 に従って基準最大積分時間 MAX- EXPS X 2 を最大積分時間 MAX - EXPとして選択し、 MAX-EXPS x 2に対応する最大積分時間調整信号 A 4を出力する。

次いで、フレーム 5， 6でシーケンス回路 3 7が状態 S 3に遷移すると、第一の選択回路 4 0は第一の選択信号 SEL1 に従って基準最大積分時間 MAX-EXPS X 4 を最大積分時間 MAX - EXPとして選択し、 MAX- EXPS X 4に対応する最大積分時間調整信号 A 4を出力する。

次いで、フレーム 7 , 8でシーケンス回路 3 7が状態 S 2に遷移すると、第一の選択回路 4 0は第一の選択信号 SEL1 に従って基準最大積分時間 MAX- EXPS X 2 を最大積分時間 MAX - EXPとして選択し、 MAX-EXPS x 2に対応する最大積分時間調整信号 A 4を出力する。従って、利得値 Gの変化に基づく 3段階の状態 S 1〜S 3の遷移により、 3種類の最大積分時間 MAX- EXPのうちのいずれかが選択されて、最大積分時間調整信号 A 4が出力される。

トータルゲイン計算回路 4 2は、目標輝度丁と 1フレーム毎の平均輝度 Y 1とを入力するとともに、前フレームで算出されたトータルゲイン値を保持している。トータルゲイン計算回路 4 2は、目標輝度 Tと平均輝度 Y 1とに基づいて補正値を算出し、その補正値を前フレームのトータルゲイン値に乗算して新たなトータルゲインを算出する。このトータルゲインは、図 8に示すように、小数点以下の値まで算出され、図 1 2に示す従来例のトータルゲインよりも高い精度を有する。

トータルゲイン計算回路 ₄ 2で算出されたトータルゲインは、 3個の乗算器 4 3 a、 4 3 b及び 4 3 cに供給される。乗算器 4 3 aは、トータルゲインを 1倍し、その 1倍のトータルゲインを第二の選択回路 4 4に供給する。乗算器 4 3 b は、トータルゲインを 1 Z 2倍し、その 1ノ 2倍のトータルゲインを第二の選択回路 4 4に供給する。乗算器 4 3 cは、トータルゲインを 2倍し、その 2倍のト一タルゲインを第二の選択回路 4 4に供給する。

第二の選択回路 4 4には、シーケンス回路 3 7から第二及び第三の選択信号 SEL2, SEL3が入力される。第二及ぴ第三の選択信号 SEL2, SEL3は、図 5に示すように、状態 S 1〜S 3が遷移するフレームにおいてハイ（H) レベルに立ち上がり、その他はロー ( L ) レベルに立ち下がる。詳しくは、シーケンス回路 3 7 が状態 S 1から状態 S 2に遷移するフレーム及ぴ状態 S 2から状態 S 3に遷移するフレームにおいて、第二の選択信号 SEL2は Hレベルに立ち上がる。シーケンス回路 3 7が状態 S 3から状態 S 2に遷移するフレーム及び状態 S 2から状態 S 1 に遷移するフレームにおいて、第三の選択信号 SEL3は Hレベルに立ち上がる。第二の選択回路 4 4は、第二及ぴ第三の選択信号 SEL2, SEL3に基づいて、乗算器 4 3 a〜4 3 cからそれぞれ供給される 3個のトータルゲインのうちのいずれか一つを選択し、選択されたトータルゲインをデコード回路 4 5に供給する。すなわち、図 6に示すように、第二及び第三の選択信号 SEL2, SEL3がともに L レベルであるとき、第二の選択回路 4 4はトータルゲイン計算回路 4 2から供給される 1倍のトータルゲインを選択してデコ一ド回路 4 5に供給する。また、第二の選択信号 SEL2が Hレベルで第三の選択信号 SEL3が Lレベルであるとき、第二の選択回路 4 4はトータルゲイン計算回路 4 2から供給される 1 / 2倍のトータルゲインを選択してデコード回路 4 5に供給する。また、第二の選択信号 SEL2 が Lレベルで第三の選択信号 SEL3が Hレベルであるとき、第二の選択回路 4 4はトータルゲイン計算回路 4 2から供給される 2倍のトータルゲインを選択してデコード回路 4 5に供給する。

シーケンス回路 3 7が状態 S 1から状態 S 2に遷移するとき及ぴ状態 S 2から状態 S 3に遷移するとき、第一の選択回路 4 0から供給される最大積分時間調整信号 A 4に基づいて、フレームレートが実質的に 2倍に増大し、露光時間が瞬間的に 2倍に設定される。しかしながら、この場合、上記のように 1 / 2倍のトータルゲインが選択されるので、露光時間の急激な上昇が相殺される。即ち、フレームレートが変更される際に、その変更の変化の比の略逆数の変化の利得変更がアンプ 3に与えられる。

また、シーケンス回路 3 7が状態 S 3から状態 S 2に遷移するとき及び状態 S 2から状態 S 1に遷移するとき、第一の選択回路 4 0から供給される最大積分時間調整信号 A 4に基づいて、フレームレートが実質的に 1 / 2倍に減少し、露光時間が瞬間的に 1 2倍に設定される。しかしながら、この場合、上記のように 2倍のトータルゲインが選択されるので、露光時間の急激な低下が相殺される。デコード回路 4 5は、第一の選択回路 4 0から供給される最大積分時間調整信号 A 4と、第二の選択回路 4 4から供給されるトータルゲインとを入力し、トータルゲインと最大積分時間調整信号 A 4とに基づいて、利得調整信号 A 1及び、積分時間調整信号 A 2を生成する。デコード回路 4 5は、トータルゲイン =露光時間 X 1 0 ^γ ( Y =ァンプゲイン Z 2 0 )の関係が得られるように露光時間とアンプゲインの Eを決定する。この式で、露光時間は、積分時間調整信号 A 2により設定される露光時間を示し、アンプゲインは利得調整信号 A 1に基づいてアンプ 3により設定される利得値を示す。

図 8は、デコード回路 4 5に供給されるトータルゲインと、各トータルゲインに対し、デコード回路 4 5から出力されるアンプゲイン及び露光時間の一例を数値で示すものであり、特にトータルゲインが最小となる領域が示されている。次に、 AG C回路 2 9及びイメージセンサブロック 2 1の動作を説明する。図 7に示すように、例えば 1 5 fps のフレームレートで動作が行われている状態で、露出制御回路 3 5に供給される平均輝度 Y 1が目標輝度 Tより低いと、トータルゲイン計算回路 4 2から出力されるトータルゲイン値が上昇し、デコード回路 4 5からの利得調整信号 A 1によりアンプ 3の利得が引き上げられるか、あるいは露光時間調整信号 A 2により露光時間が延長される。この結果、アンプ 3の出力レベルが上昇し、平均輝度 Y 1が上昇する。

平均輝度 Y 1が目標輝度 Tに達する前に、アンプ 3の利得 Gが例えば第一の基準利得値 G a 1とヒステリシス値 HY Sとの和を越えると、シーケンス回路 3 7 は状態 S 1から状態 S 2へ移行し、第一の選択信号 SEL1に基づいて最大積分時間 MAX-EXP が 2倍に引き上げられる。すると、フレームレートは実質的に 1 5 fps から 7 . 5 fpsに変更される。

このとき、第二の選択信号 SEL2からデコード回路 4 5に供給されるトータルゲインは 1 Z 2となり、図 8に示すデコード回路 4 5の演算動作に基づく利得調整信号 A 1及ぴ露光時間調整信号 A 2によりアンプ 3の利得 Gが 6 dB減衰する。従つて、フレームレートの変更にともなう平均輝度の瞬間的な変動が防止される。また、アンプ 3の利得 Gが第二の基準利得値 G a 2とヒステリシス値 HY Sとの和を越えて、シーケンス回路 3 7が状態 S 2から状態 S 3に移行した場合でも、フレームレートの変更と同時に、アンプ 3の利得 Gが 6 dB減衰する。

次いで、平均輝度 Y 1が目標輝度 Tに未だ達していないと、トータルゲイン計算回路 4 2から出力されるトータルゲイン値が上昇し、アンプ 3の利得 Gが上昇する。このような動作により、平均輝度 Y 1が目標輝度 Tに一致するまでトータルゲイン値が上昇すると、アンプ 3の利得 G及ぴ平均輝度 Y 1が一定レベルに収束する。

—方、例えば 7 . 5 fps のフレームレートで動作が行われている状態で、露出制御回路 3 5に供給される平均輝度 Y 1が目標輝度 Tより高いと、トータルゲイン計算回路 4 2から出力されるトータルゲイン値が低下し、デコード回路 4 5からの利得調整信号 A 1に基づレ、てアンプ 3の利得 Gが引き下げられるか、あるいは露光時間調整信号 A 2に基づいて露光時間が短縮される。この結果、アンプ 3 の出力レベルが低下し、平均輝度 Y 1が低下する。

平均輝度 Y 1が目標輝度 Tに達する前に、アンプ 3の利得 Gが例えば第二の基準利得値 G a 2から 6 dB とヒステリシス値 H Y Sとの和を減算することにより得られた値以上低下すると、シーケンス回路 3 7は状態 S 2から状態 S 1へ遷移し、第一の選択信号 SEL1に基づいて最大積分時間 MAX-EXPが 1 2倍に引き下げられる。すると、フレームレートは実質的に 7 . 5 fpsから 1 5 fpsに変更されるこのとき、第三の選択信号 SEL3によりトータルゲイン値は 2倍となり、図 8に示すデコード回路 4 5の演算動作に基づく利得調整信号 A 1及び露光時間調整信号 A 2により、アンプ 3の利得 Gが 6 dB上昇する。従って、フレームレートの変更にともなう平均輝度の瞬間的な変動が防止される。

また、アンプ 3の利得が第一の基準利得値 G a 1から 6 dBとヒステリシス値 H Y Sとの和を減算することにより得られた値以上低下して、シーケンス回路 3 7 が状態 S 3から状態 S 2に遷移する場合にも、フレームレートの変更と同時に、アンプ 3の利得 Gが 6 dB上昇する。

次いで、平均輝度 Y 1が目標輝度 τに未だ達していないと、トータルゲイン計算回路 4 2から出力されるトータルゲイン値が低下し、アンプ 3の利得 Gが低下する。このような動作により、平均輝度 Y 1が目標輝度 Tに一致するレベルまでトータルゲイン値が低下すると、アンプ 3の利得 G及ぴ平均輝度 Y 1がー定レべルに収束する。

上記のような動作を行う A G C回路 2 9において、特にトータルゲインが最小となる領域（すなわち、撮像対象の輝度が比較的高く、素子アレイ 2内の各素子の露光時間を許容範囲の最短値付近とし得る領域）におけるアンプ 3の利得 Gと露光時間との調整動作を説明する。

図 8に示すように、トータルゲインは 1を最小値として、小数点以下を含む値で細かく調整される。そして、トータルゲインが 1であるとき、アンプ 3の利得 Gは O dB、露光時間は 1に設定される。この露光時間を 1に設定することは、露光時間を基準クロック信号 S C L Kの 1パルス分に設定することを意味し、リセット信号と読み出し信号との間隔を基準クロック信号 S C L Kの 1パルス分に設定することを意味する。

そして、トータルゲインが 1から 2までの間の調整動作では、露光時間を 1に固定したまま、アンプ 3の利得が 1〜6 dBまで増大される。トータルゲインが 2 となると、アンプ 3の利得は O dBに戻され、露光時間が 2、即ち基準クロック信号 S C L Kの 2パルス分に設定される。

同様に、トータルゲインが 2から 3までの間の調整動作では、露光時間を 2に固定したまま、アンプ 3の利得が 1〜 3 dBまで増大される。トータルゲインが 3 となると、アンプ 3の利得は O dBに戻され、露光時間が 3、即ち基準クロック信号 S C L Kの 3パルス分に設定される。

このような動作により、露光時間を変更しない範囲では、アンプ 3の利得を調整することにより、トータルゲインを 1以下の細かなステップで変更可能となる。従って、素子アレイ 2内の各素子の露光時間を許容範囲の最短値付近としても、トータルゲインの変更による平均輝度 Y 1の変化を従来例に比して抑制することが可肯となる。

本実施の形態の A G C回路 2 9では、次に示す作用効果を得ることができる。

( 1 ) フレームレートの変更は、タイミング制御回路 3 4の動作クロック信号を変更することなく、各フレームのブランキング時間 B Rを変更することにより行われる。従って、フレームレートは 2の整数乗以外の比で変更することができるので、フレームレートを低下させるとき、フレームレートの変更に基づく平均輝度 Y 1の変化を抑制することができるとともに、画像の応答性の低下を抑制することができる。また、イメージセンサブロック 2 1から出力される撮像データの出力周波数を一定とすることができるので、次段の回路へのデータ転送動作が容易となる。

( 2 ) ブランキング時間 B Rの変更は、アンプ 3の利得 Gと所定の第一及ぴ第二の基準利得値 G a 1， G a 2との比較に基づいて最大積分時間 MAX-EXPを 3段階に変更することにより行われる。従って、タイミング制御回路 3 4の動作クロック信号を変更することなく、実質的にフレームレートを 3段階に変更することがでさる。 ( 3 ) アンプ 3の利得 Gと第一及び第二の基準利得値 G a 1 , G a 2とをシーケンス回路 3 7で比較する際、第一及び第二の基準利得値 G a 1 , G a 2に対しヒステリシス値 HY Sが加算あるいは減算される。従って、アンプ 3の利得 Gが第一及び第二の基準利得値 G a 1， G a 2付近で変化するとき、最大積分時間 MAX- EXPすなわちフレームレートの頻繁かつ無用な切り換わりを防止することができる。

( 4 ) シーケンス回路 3 7から供給される第一の選択信号 SEL1に基づいて最大積分時間 MAX- EXPを 2倍したとき、第二の選択信号 SEL2に基づいてアンプ 3の利得を 1 / 2に減衰させることができる。従って、フレームレートの変更にともなう平均輝度 Y 1の変動を防止して円滑な露光制御を行うことができる。

( 5 ) シーケンス回路 3 7から供給される第一の選択信号 SEL1に基づいて最大積分時間 MAX-EXPを 1 Z 2倍したとき、第二の選択信号 SEL2に基づいてアンプ 3の利得 Gを 2倍に増大させることができる。従って、フレームレートの変更にともなう平均輝度 Y 1の変動を防止して円滑な露光制御を行うことができる。

( 6 ) シーケンス回路 3 7が状態 S 3から状態 S 2に遷移するとき、あるいは状態 S 2から状態 S 1に遷移するとき、すなわち最大積分時間 MAX - EXPを 1 / 2に短くするとき、第三の選択信号 SEL3によりトータルゲインが 2倍に変更される。すると、アンプ 3の利得が 6 dB増大されるため、このことは第二の基準利得値 G a 2あるいは第一の基準利得値 G a 1に 6 dBを加算することを意味する。このような動作により、アンプ 3の利得の変動に合わせて第一及ぴ第二の基準利得値 G a 1 , G a 2を補正することができる。

( 7 ) トータルゲイン計算回路 4 2で算出するトータルゲインを、 1以下の細かなステップで出力し、アンプ 3の利得 Gを調整することにより 1未満のトータルゲインの変化を可能とした。従って、素子アレイ 2内の各素子の露光時間を許容範囲の最短付近に設定しても、トータルゲインの変更による平均輝度 Y 1の変化を従来例に比して抑制することができる。この結果、露光時間の調整範囲を、各素子の露光時間の許容最短値まで拡大することができる。

(第二の実施の形態）

図 9は、本発明の第二の実施の形態の露出制御回路 3 5を示す。第一の実施の形態では、最大積分時間 MAX - EXPをあらかじめ固定された 3段階の値から選択する構成としたが、第二実施の形態では、 3段階の最大積分時間の値を可変とする構成としたものである。

レジスタ 4 6 a、 4 6 b、 4 6 c、 4 6 d、 4 6 e、 4 6 f には、第一の基準利得値 G a l、ヒステリシス値 H Y S、第二の基準利得値 G a 2、基準最大積分時間 MAX- EXPS、第一及ぴ第二の演算係数 EADJl, EADJ2がそれぞれ格納されている第一の基準利得値 G a 1及びヒステリシス値 HY Sは、加減算回路 4 7 aに供給され、加減算回路 4 7 aは第一の基準利得値 G a 1とヒステリシス値 HY Sとの加算値及ぴ第一の基準利得値 G a 1からヒステリシス値 HY Sが減算された減算値を比較器 4 8に供給する。

第二の基準利得値 G a 2及びヒステリシス値 H Y Sは、加減算回路 4 7 bに供給され、加減算回路 4 7 bは第二の基準利得値 G a 2とヒステリシス値 H Y Sとの加算値及び第二の基準利得値 G a 2からヒステリシス値 H Y Sが減算された減算値を比較器 4 8に供給する。

選択回路 4 9には、基準最大積分時間 MAX-EXPSと、乗算器 5 0 aから供給された基準最大積分時間 MAX - EXPSと第一の演算係数 EADJ1と乗算値と、乗算器 5 0 bから供給された基準最大積分時間 MAX-EXPSと第二の演算係数 EADJ2との乗算値とが供給される。そして、選択回路 4 9は比較器 4 8の出力信号に基づいて 3つの値のうちのいずれか一つを選択して、選択値を最大積分時間 MAX- EXPを設定する最大積分時間調整信号 A 4として出力する。

最大積分時間 MAX- EXP (最大積分時間調整信号 A 4 ) は、除算器 5 1及びフリップフロップ回路 5 2に供給され、そのフリップフロップ回路 5 2の出力信号は、除算器 5 1及び比較器 4 8に供給される。フリップフロップ回路 5 2は、各フレームの最大積分時間 MAX- EXPを保持すると同時に、その前フレームの最大積分時間 MAX - EXPを出力する。

除算器 5 1は、現在のフレームの ¾大積分時間 MAX-EXPと前フレームの最大積分時間 MAX- EXPとの比を算出し、その算出結果を乗算器 5 3に供給する。

トータルゲイン計算回路 5 4は、平均輝度 Y 1と目標輝度 T及び前フレームのトータルゲインに基づいて、第一の実施の形態と同様に現フレームのトータルゲインを算出する。

トータルグイン計算回路 54により算出されたトータルゲインは、乗算器 53 及ぴ比較器 48に供給される。乗算器 53は、トータルゲインと除算器 51の出力信号とを乗算して、乗算信号をデコード回路 55に供給する。この乗算器 53 の動作は、最大積分時間 MAX- EXPの変化を相殺するようにトータルゲインの補正を行うことに対応しており、第一の実施の形態の乗算器 43 a〜 43 c及び第二の選択回路 44'の動作に相当する。デコード回路 55は、第一の実施の形態と同様に動作する。

このように構成された露出制御回路 35において、比較器 48及び選択回路 4 9は、次に示す（a) 〜（d) の 4通りの動作を行う。なお、第一及ぴ第二の基準利得値を G a 1 , Ga 2、ヒステリシス値を HY S、最大積分時間を MAX- EXP 、基準最大積分時間を MAX - EXPS、第一及び第二の演算係数を EADJl, EADJ2とする

(a) Ga 1 +HYSくトータルゲインであり、前フレームの最大積分時間 MAX-EXP-MAX- EXPSであるとき、選択回路 49は MAX-EXPS X EADJ1を選択して出力する。

(b) Ga l -HYS >トータルゲインであり、前フレームの最大積分時間 MAX-EXP=MAX-EXPS X EADJlであるとき、選択回路 49は MAX- EXPSを選択して出力する。

(c) G a 2+HYSくトータルゲインであり、前フレームの最大積分時間 MAX-EXP=MAX-EXPS X EADJlであるとき、選択回路 49は MAX - EXPS X EADJ2を選択して出力する。

(d) G a 2— HYS >トータルゲインであり、前フレームの最大積分時間 MAX-EXP=MAX-EXPS X EADJ2であるとき、選択回路 49は MAX-EXPS X EADJ1を選択して出力する。

このような動作により、トータルゲインの変化に基づいて、最大積分時間 MAX - EXPSを 3段階に切換えることができる。そして、第一及び第二の演算係数 EADJl, EADJ2を適宜に変更することにより、 3段階の最大積分時間を適宜に変更可能となる。

従って、第二の実施の形態では、第一の実施の形態で得られた作用効果に加えて、 3段階に切換える最大積分時間 MAX-EXPを適宜に変更することができるので、最大積分時間 MAX- EXPすなわちフレームレートを柔軟に設定することができる。各実施の形態は、次に示すように変更してもよい。

•第一及び第二の実施の形態において、最大積分時間の切り替えは、 4段階以上であってもよい。

Claims

請求の範囲

1 . イメージセンサからフレーム単位で出力される輝度データの平均輝度と目標輝度との比較に基づいて、イメージセンサを露光する積分時間を調整する積分時間調整信号と、イメージセンサの出力信号を増幅するアンプの利得を調整する利得調整信号と、フレームレートを変更するためのフレームレート調整信号を出力する自動利得制御回路であって、

各フレームのブランキング時間を調整して、前記イメージセンサの最大積分時間を切換える最大積分時間調整信号を前記フレームレート調整信号として出力する露出制御回路を備える自動利得制御回路。

2 . 請求項 1記載の自動利得制御回路において、前記露出制御回路は、前記平均輝度と目標輝度とに基づいてトータルゲインを算出するトータルゲイン計算回路と、

前記トータルゲインと最大積分時間とに基づいて、前記積分時間調整信号及び利得調整信号を生成するデコード回路と、

前記利得調整信号と基準利得値との比較に基づいて前記最大積分時間を切換えて、最大積分時間調整信号を生成する最大積分時間切換え回路と、

前記トータルゲイン計算回路と前記デコード回路との間に接続され、前記最大積分時間切換え回路からの前記最大積分時間調整信号に基づいて、前記最大積分時間の変化が相殺されるように前記トータルゲインを補正するトータルゲイン補正回路とを含む、自動利得制御回路。

3 . 請求項 2記載の自動利得制御回路において、前記最大積分時間切換え回路は、

前記利得調整信号と複数の基準利得値とを比較して、第一の選択信号を生成するシーケンス回路と、

前記第一の選択信号に従って複数の最大積分時間の中から！/、ずれか一つを選択する第一の選択回路とを含む、自動利得制御回路。

4 . 請求項 3記載の自動利得制御回路において、前記シーケンス回路は、前記基準利得値にヒステリシス値を加算若しくは減算した値と、前記利得調整信号とを比較する、自動利得制御回路。

5 . 請求項 3または 4記載の自動利得制御回路において、前記シーケンス回路は、前記最大積分時間の短縮に基づく前記利得調整信号の相対変化が相殺されるように前記基準利得値を調整する基準利得値調整回路を含む、自動利得制御回路。

6 . 請求項 2記載の自動利得制御回路において、前記トータルゲイン補正回路は、前記最大積分時間の変化の比の逆数を前記トータルゲイン計算回路により算出されたトータルゲインに乗算する乗算回路を含む、自動利得制御回路。

7 . 請求項 3乃至 6のいずれか 1項に記載の自動利得制御回路において、前記最大積分時間切換え回路は、基準最大積分時間に複数の固定演算係数を乗算して前記複数の最大積分時間を生成する、自動利得制御回路。

8 . 請求項 3乃至 6のいずれか 1項に記載の自動利得制御回路において、前記最大積分時間切換え回路は、基準最大積分時間に複数の可変演算係数を乗算して前記複数の最大積分時間を生成する、自動利得制御回路。

9 . 請求項 2乃至 8のいずれか 1項に記載の自動利得制御回路において、前記デコード回路は、前記イメージセンサの最短露光時間領域で、前記トータルゲインに基づいて、前記イメージセンサの露光時間を固定した状態で前記アンプの利得が調整されるように前記利得調整信号及び積分時間調整信号を生成する、自動利得制御回路。

1 0 . 請求項 9記載の自動利得制御回路において、前記トータルゲイン計算回路は、前記イメージセンサの最短露光時間領域で、小数点以下のトータルゲインを算出し、前記デコード回路は該トータルゲインの小数点以下の変化に対し、前記利得調整信号を変化させる、自動利得制御回路。

1 1 . イメージセンサからフレーム単位で出力される輝度データを受け取り

、イメージセンサを露光する積分時間とイメージセンサの出力信号を増幅するァンプの利得とを調整する自動利得制御回路であって、

平均輝度と目標輝度とに基づいてトータルゲインを算出するトータルゲイン計算回路と、

前記トータルゲインと最大積分時間調整信号とに基づいて、前記積分時間を調整する積分時間調整信号と、前記アンプの利得を調整する利得調整信号とを生成するデコード回路と、

前記利得調整信号と基準利得値との比較に基づいて最大積分時間を切換えるための最大積分時間調整信号を生成するとともに、最大積分時間の切換えに関連する選択信号を生成する最大積分時間切換え回路と、

前記トータルゲイン計算回路と前記デコード回路との間に接続され、前記最大積分時間切換え回路からの前記選択信号に基づいて、前記最大積分時間の変化が相殺されるように前記トータルゲインを補正するトータルゲイン補正回路とを備える、自動利得制御回路。

1 2 . イメージセンサからフレーム単位で出力される輝度データを受け取り、イメージセンサを露光する積分時間とイメージセンサの出力信号を増幅するァンプの利得とを調整する自動利得制御回路であって、

前記利得調整信号と基準利得値との比較に基づいて最大積分時間を切換えるための最大積分時間調整信号を生成するとともに、最大積分時間の変化を示すレート信号を生成する最大積分時間切換え回路と、

前記トータルゲイン計算回路と前記デコード回路との間に接続され、前記最大積分時間切換え回路からの前記レート信号に基づいて、前記最大積分時間の変化が相殺されるように前記トータルゲインを補正するトータルゲイン捕正回路とを備える、自動利得制御回路。

1 3 . イメージセンサから検出される輝度情報により、イメージセンサの出力信号を増幅するアンプの利得と、フレームレートとを変更する自動利得制御回路であって、

前記フレームレートの変更を行う際に、該変更の変化の比の略逆数の変化の利得変更をアンプに与える利得変更回路を備える、自動利得制御回路。

1 4 . 請求項 1〜 1 3のいずれか 1項に記載の自動利得制御回路を搭載した半導体装置。