Bachelor's Thesis

Spotlight for high-speed camera

Final Thesis 3.45 MB Appendix 13.55 MB

Author of thesis: Bc. Tomáš Novák

Acad. year: 2024/2025

Supervisor: Ing. Tomáš Koutecký, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D.

Abstract:

High-speed recordings are essential for capturing rapid phenomena of various kinds, including mechanical material testing. Due to the inherently very short exposure times required for such recordings, it is usually necessary to illuminate the scene with a high-performance light source. However, conventional LED floodlights often exhibit temporal fluctuations in luminous flux, may lack compactness, and typically have a very wide beam angle. This work focuses on the design and implementation of a specialized light source intended for high-speed imaging. Based on initial calculations, a sufficiently powerful LED light source and a compatible power supply were selected. This was followed by the complete design of the floodlight, including an optical system for adjusting the beam angle. The structure was largely manufactured using 3D printing. After assembly, the floodlight was tested. Finally, the design was evaluated, and possible improvements were discussed.

Keywords:

LED diode, 3D printing, floodlight, high-speed camera, tensile test

Date of defence

13.06.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student prezentoval výsledky své bakalářské práce a zodpověděl otázky oponenta. 1) Jak jste při návrhu výkonu osvětlovací diody zohlednil snímkovací frekvence jednotlivých uvažovaných kamer (ZWO a Phantom) ? - zodpovězeno 2) Jaké úpravy při dimenzování výkonu reflektoru a jeho konstrukčním návrhu byste proved pro druhou iteraci řešení? - zodpovězeno prof.Vrbka - Kdy to lze použít a kdy ne? Pro jakou škálu experimentů? Ing.Šperka - Navrhoval jste konkrétní čočky nebo jste je jen odhadl? Provedl jste termální design? Pro jakou teplotní diferenci bylo navrženo? - zodpovězeno Ing.Škaroupka - Byl zdroj volen správně? - zodpovězeno Ing.Šperka - Z jakých zdrojů jste čerpal při výpočtech? Použil jste algoritmy AI? - zodpovězeno

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Vrbka, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Michal Kubík, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Daniel Kvarda, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Šperka, Ph.D. (člen)
Ing. David Škaroupka, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Tomáš Koutecký, Ph.D.

Hodnocená bakalářská práce navrhuje specializovaný reflektor pro kamerový záznam rychlých dějů.

Úvod práce obsahuje srozumitelný popis problému a uvedení do problému a kontextu osvětlování vzorků především pro tahové zkoušky. Přehled současného stavu poznání z mého pohledu obsahuje všechny důležité podkapitoly a mapuje aspekty a problematiku, která se k tématu práce váže.

Analýza problému vhodně specifikuje problém, měly by však být lépe popsány „nevyhovující světelné a fyzikální vlastnosti“ dostupných reflektorů, aby bylo jasné, v čem by měl být navrhovaný reflektor lepší. V cílech práce jsou dobře stanovené a konkretizované parametry, kterých má být dosaženo a podmínky měření, které budou pro experimentální ověření použity.

Koncepční řešení velmi podrobným a z mého pohledu korektním způsobem uvádí výpočet „teoreticky“ správné hodnoty světelné účinnosti a požadovaného příkonu LED diody. Zanedbané je ale jakékoliv pohlcení části světelného toku stěnami reflektoru, který bude světelný kužel zužovat, ale ne odrazem paprsků, ale jejich (převážným) pohlcením. Pokud toto pomineme, je následný výběr LED diody, napájecího zdroje a chladiče v pořádku. Podmínka z kapitoly 4.4 (Návrh optického systému) na délku světelného tunelu není v kapitole 5.3 (Optika) výslovně zohledněna. Konstrukční řešení reflektoru je poměrně komplexní, obsahuje větší množství dílů, které bylo nutné navrhnout a vymodelovat s ohledem na výrobu pomocí 3D tisku. Konstrukce působí propracovaným dojmem. U zdroje není uvedeno, jak moc se při zapnutí LED diody zahřívá a jestli nehrozí riziko přílišného zahřátí PLA materiálu krytu a jeho deformace, případně jestli je zdroj od krytu nějak izolovaný.

Diskuze vhodným způsobem experimentálně ověřuje schopnosti navrženého a vyrobeného LED reflektoru a vyvozuje užitečné závěry. Shrnutí v diskuzi dobře sumarizuje limity a další zjištění z provozu reflektoru a analyzuje je. Oceňuji i srovnání s jinými dostupnými LED reflektory na trhu. Závěr vhodně shrnuje práci a z ní získané výsledky.

Jako nedostatky práce vidím především:

- Jednou ze zmíněných možných oblastí využití reflektoru je měření AM vzorků na pádostroji, což je rychlý děj a vyžadoval by ještě intenzivnější osvětlení vzorků. Na tyto typy testů ale není reflektor přizpůsobený.

- Velmi podrobný výpočet v koncepčním řešení, který působí sofistikovaně a vědecky, ale realita je pak dost odlišná a je otázkou, jestli by nebylo dosaženo lepších výsledků (vyšší účinnost výstupního světla) pomocí dostupných komponent (čočka pro LED diody) i bez složitého výpočtu, který působí dost teoretickým dojmem.

- Výpočet pro jeden typ kamery, která v experimentálních měřeních není vůbec použitá a druhá kamera, primárně použitá v měřeních, je dopočítána nepřímo a dost pravděpodobně nepřesně.

- Optika reflektoru pouze více či méně cloní světelnému toku vycházejícímu z led diody a většina tohoto světla je pravděpodobně pohlcena tubusem reflektoru a přeměněna na teplo. Větší pozornost by měla být věnována skutečně efektivnímu směrování světelného toku na výstup z reflektoru.

I přes zmíněné nedostatky byly cíle práce splněny a doporučuji práci k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod D
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii D
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací C
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: C

Bakalářská práce se zabývá návrhem a realizací specializovaného LED reflektoru určeného pro přisvětlení scén při vysokorychlostním snímání mechanických zkoušek materiálů. Cílem bylo vytvořit zařízení, které zajistí stabilní, intenzivní a rovnoměrné osvětlení bez blikání, pro získání kvalitního záznamu při velmi krátkých expozičních časech. Reflektor byl navržen, vyroben (pomocí 3D tisku), otestován v laboratorních podmínkách a jeho funkčnost byla ověřena pomocí vysokorychlostní kamery Phantom v710. 
Na práci oceňuji komplexní přístup k řešení, který zahrnoval teoretický návrh parametrů, návrh konstrukce, jeho realizaci, ověření v laboratoři, zhodnocení naměřených výsledků a diskuzi zjištěných problémů. Takovýmto systematickým přístupem by student v dalších iteracích řešení dospěl ke kvalitnímu návrhu. Uvedené cíle práce sice byly dosaženy, nicméně současná verze reflektoru nenaplňuje popsaná očekávání. Snímaný obraz byl měřitelný pouze při zvýšené expoziční době a světelný výkon byl pro vysoké FPS nedostatečný. Domnívám se, že jedním z důvodů, který k tomu přispěl byl zvolený napájecí zdroj, který poskytuje výstupní proud pouze 700 mA, přičemž zvolená dioda má nominální proud 1170 mA. V produktovém listu diody (který v přílohách chybí) lze přitom nalézt, že relativní světelný tok je při 700 mA pouze na úrovni 60% a maximální dovolený proud je 2340 mA. Informace o maximálním dovoleném proudu v kapitole 4.1.3 jsou tedy mylné. Jedním z dalších funkčních problémů je nízká teplotní odolnost některých dílů a těsnění, což znemožňuje dlouhodobější provoz reflektoru.
Samotný text práce obsahuje malé množství pravopisných chyb a stylisticky je celkem zdařilý. Grafická úprava tabulek by dle mého názoru byla vhodnější bez různorodého barevného formátování. Zároveň by bylo vhodné popisky tabulek označovat jako tabulky a ne jako obrázky (viz kap.4.1.1). Práci lze rovněž lze vytknout netransparentnost výpočtů, jak z pohledu samotného postupu, který by bylo vhodné členit do několika kroků, tak samotné dosazení hodnot, které proběhlo v samostatném excelovském souboru, ten však v mezi přílohami chybí. Není tak v možné zkontrolovat správnost výsledků. Dalším nepříliš přesvědčivým dojmem působí formální provedení konstrukční dokumentace navrženého reflektoru, která je v práci pouze ve formě obrázků v kap.5. Samostatná výkresová dokumentace není přiložena, zřejmě proto, že nebyla v zadání požadována. Nicméně, uvedené obrázky obsahující kóty (např. Obr. 5-11), postrádají základní standardy technického zobrazování, jako chybějící osy, uspořádání dle promítání, šrafování v podélném řezu apod.

Vzhledem k provedené realizaci, testování a analýze považuji práci za přínosnou a při pominutí teplotních limitů považuji navržený reflektor za použitelný jako osvětlovací zdroj pro DIC systém využívající kamery ZWO při kvazistatickém a cyklickém mechanickém testování materiálů. Práci doporučuji ji k obhajobě. 
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti D
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací C
Topics for thesis defence:
  1. Jak jste při návrhu výkonu osvětlovací diody zohlednil snímkovací frekvence jednotlivých uvažovaných kamer (ZWO a Phantom) ?
  2. Jaké úpravy při dimenzování výkonu reflektoru a jeho konstrukčním návrhu byste proved pro druhou iteraci řešení?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová