Colorimetric characterization of active and passive TFD sensors buiit in standard CMOS technology

The purpose of this dissertation is to provide the first answers to the questions posed during the evolution of the Transverse Field Detector as a direct colorimetric sensor, analysing and testing under what conditions the device is fully functional, and assessing how well it can eventually perform. This task was first faced through the development of a PCB acquisition board for the single pixel TFD. The most suitable signal acquisition circuits were initially theorized and compared, taking the introduced electronic noise as the factor of highest consideration for the ultimate decision, as the magnitude of the currents drawn by the sensor are extremely low. After conceiving and preparing an experimental setup, the newly developed circuit was used to analyse the response of the TFD to light stimulation, measuring the response of the sensor to the exposition of the different colors present in the chosen Color Checking Chart. The testing was performed on different values of voltage bias, in accordance with the tunability of the TFD, allowing therefore the evaluation of a large range of results. The Matlab analysis of the outcoming data effectively defined the TFD's working condition range, observing for which bias values the obtained results best replicated the image being photographed, and was also extremely important in outlining errors that may be present in the experimental setup, when the measurements and the simulations were discordant. Once the single pixel TFD sensor had been fully tested and evaluated, the interest was transferred to the more complex 8x8 pixel matrix, which is however a more concrete representation of a real and utilizeable sensor. An acquisition board had already been developed for this matrix, and it was used to assess the TFD's response to the same Color Checker used for the single pixel detector. With the thought of utilizing the sensor in a standard photographic camera, the acquisition board was redesigned and shrunk to minimal dimensions, rendered therefore similar to the one that had been built for the previosly assembled circuit. This ultimately allowed it to be inserted in a magazine of a procured Hasselblad Camera, ultimately bringing the initial idea of a color sensing technique to its most natural conclusion: a tunable color pixel sensor for photography.

L'obiettivo di questa tesi è stato quello di ultimare e caratterizzare il ``Transverse Field Detector'' nella sua evoluzione a sensore colorimetrico diretto, analizzando in quali condizioni il dispositivo è funzionante e osservando la validità dei dati da esso ottenuti. Il primo passo del lavoro è stato quindi lo sviluppo di una scheda PCB per l'acquisizione del TFD a singolo pixel. Sono stati teorizzati i circuiti di acquisizione più adatti e sono stati paragonati, usando il rumore introdotto come criterio maggiormente discriminante nella decisione finale, poichè la magnitudo delle correnti assorbite dal sensore è estremamente bassa. Una volta ideato e preparato il setup sperimentale, il circuito sviluppato nella prima fase della tesi è stato utilizzato per analizzare la risposta del TFD all'illuminazione, osservando i dati ottenuti dall'esposizione del TFD ai diversi colori presenti nel Color Checker selezionato. Le misure sono state effettuate con diversi voltaggi di bias, in sintonia con la tunabilità del TFD e ottenendo quindi una larga gamma di risultati. L'analisi Matlab dei dati ha quindi definito i migliori parametri di funzionamento del TFD, permettendo di osservare per quali valori di bias i risultati ottenuti meglio rappresentavano l'immagine fotografata, oltre a sottolineare eventuali errori nel setup nel caso in cui simulazioni e misure risultavano eccessivamente differenti. Una volta completati i test e valutazione del sensore a singolo pixel, l'interesse si è spostato sulla più complessa matrice a 8x8 pixel, che è tuttavia una miglior rappresentazione di un sensore utilizzabile in ambito fotografico. Una scheda di acquisizione per questa matrice era stata sviluppata precedentemente, ed è stata utilizzata per osservare la risposta del TFD 8x8 alla stesso Color Checker utilizzato precedentemente per il sensore a singolo pixel. Con l'obiettivo di utilizzare il sensore in una macchina fotografica standard, la scheda di acquisizione è stata ridisegnata e ridotta alle minime dimensioni. Questo ha permesso di inserirla nel magazzino di una macchina Hasselblad 500c, portando quindi l'idea dell'innovativa tecnica di misura del colore alla sua più naturale conclusione, un sensore colorimetrico diretto e tunabile, ora utilizzabile in ambito fotografico.