Master's Thesis

Optimization of the Fluorescence Imaging System FluorCam

Final Thesis 23.14 MB Appendix 982.13 kB

Author of thesis: Ing. Filip Szkandera

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Jan Leuchter, Ph.D.

Reviewer: Ing. Ngoc Nam Pham

Abstract:

This thesis investigates the operating principles of the FluorCam imaging systems developed by Photon Systems Instruments and the physical and biological background of chlorophyll fluorescence in plants.
Its main goal is to develop a method for automatically evaluating the spatial homogeneity of the excitation illumination, supported by a dedicated measurement workstation that integrates the mechanical construction, control electronics, and software for automated data acquisition and processing.
Based on the acquired data, two approaches to correcting the identified inhomogeneity are proposed and compared, both leading to improved optical parameters of the system, particularly in terms of light field uniformity.
An optimal solution is identified from this comparison with respect to the achievable correction accuracy, implementation complexity, and economic efficiency.
The final part presents a survey of currently available high-power LED emitters suitable for excitation illumination in fluorescence imaging systems and compares them with the components used in existing FluorCam devices.
The outcome is a set of recommendations for the modernization of the illumination subsystem in serial production.

Keywords:

Chlorophyll fluorescence, FluorCam, illumination homogeneity, inhomogeneity correction, excitation illumination, high-power LEDs

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s řešením své diplomové práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta. Dále odpověděl na otázky komise: Zohlednil jste spektrum vlnových délek osvětlení? Student pohotově odpovídal, trocha se zasekl na bílém světle, ale potom se nedorozumění vysvětlilo a student bez problému vysvětloval dále. S komisí komunikoval o bílých LED a důvodech, proč nepoužil modrou diodu. Co by v práci optimalizované a o kolik se to zlepšilo? Student vysvětlil, že optimalizované bylo osvětlení pomocí filtrů.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Microelectronics (MPC-MEL)

Composition of Committee

doc. Ing. Lukáš Fujcik, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Vilém Kledrowetz, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Kováč, Ph.D. (člen)
Ing. Břetislav Mikel, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Jan Leuchter, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá návrhem metodiky pro měření a korekci homogenity excitačního osvětlení systému FluorCam a analýzou vhodných LED zdrojů pro fluorescenční aplikace. Student navrhl a realizoval měřící pracoviště s vlastním řídicím systémem propojeným s platformou FluorCam. Součástí práce je také simulační model osvětlení a porovnání pasivní optické a aktivní elektronické korekce nehomogenity. Práce dále obsahuje analýzu LED zdrojů a hodnocení fotometrických a fotosynteticky aktivních parametrů, včetně kritického posouzení vhodnosti běžně používaných veličin pro danou aplikaci.

Závěrem lze konstatovat, že práce splnila zadání a je zpracována v požadovaném rozsahu. Práce je zpracována na velmi dobré odborné úrovni, s logickou strukturou a drobnými formálními nedostatky. Student práci průběžně konzultoval a prokázal schopnost samostatné odborné činnosti i práci s literaturou. Dosažené výsledky jsou využitelné v praxi. Výsledky mají přímý aplikační přínos pro výrobu a kalibraci systému FluorCam.Diplomovou práci doporučuji k obhajobě. Celkové hodnocení: 92 bodů ze 100. Points proposed by supervisor: 92

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Ngoc Nam Pham

Předložená diplomová práce se zabývá komplexní problematikou analýzy a optimalizace osvětlovací části měřicího systému FluorCam. Cílem práce je návrh a implementace metodiky pro hodnocení homogenity osvětlení a následná korekce zjištěných nehomogenit s ohledem na zlepšení parametrů systému. Práce je logicky strukturována a zahrnuje tři základní části. V teoretické části autor přehledně popisuje fyzikálně-biologické principy fotosyntézy a fluorescence rostlin, což tvoří nezbytný základ pro pochopení navazujících experimentálních kapitol. Druhá kapitola se věnuje popisu měřicího systému FluorCam, jeho principu a konstrukčnímu uspořádání. Třetí, experimentální část, představuje klíčovou část práce, kde je navržena metodika měření homogenity osvětlení, provedena experimentální měření a následně implementovány a porovnány různé přístupy ke korekci nehomogenity světelného pole.

Významným přínosem práce je návrh měřicího pracoviště, zahrnujícího mechanickou konstrukci, řídicí elektroniku a softwarové prostředí pro automatizovaný sběr a vyhodnocení dat. Autor dále provedl systematickou komparaci dvou korekčních metod, přičemž hodnotil jejich účinnost z hlediska dosažené přesnosti, implementační náročnosti a ekonomické efektivity. Tento přístup lze hodnotit jako metodicky správný. Součástí práce je rovněž rešerše moderních výkonových LED emitorů vhodných pro excitační osvětlení ve fluorescenčních systémech, včetně jejich porovnání se stávajícími komponenty systému FluorCam. Na základě této analýzy autor formuluje doporučení pro modernizaci osvětlovací části systému v podmínkách sériové výroby, což zvyšuje praktickou využitelnost výsledků.

K práci lze uvést několik drobných připomínek. V některých částech by bylo vhodné detailněji diskutovat nejistoty měření, případně jejich vliv na výslednou volbu korekční metody.

Z hlediska rozsahu (78 stran) a obsahu lze konstatovat, že práce splňuje požadavky kladené na diplomovou práci.
Formální úprava technické zprávy je na dobré úrovni, práce je přehledná, s minimem formálních nedostatků.

Závěr:
Diplomová práce naplnila stanovené zadání a odpovídá požadovanému rozsahu. Diplomovou práci doporučuji k obhajobě. Celkové hodnocení: 90 bodů ze 100. Topics for thesis defence:
  1. Jakým způsobem byla zohledněna nejistota měření a jaký může mít vliv na volbu výsledné korekční metody? Dále by bylo vhodné detailněji rozpracovat vliv přesnosti A/D převodníku ADS1115 uvedeného na straně 30 (obr. 3.1), zejména z hlediska jeho rozlišení, přesnosti převodu a vzorkovací frekvence. V této souvislosti by si práce zasloužila hlubší zdůvodnění volby 16bitového převodníku i nastavení jeho vzorkovací rychlosti, a to zejména ve vztahu k požadavkům na dynamiku měření, stabilitu signálu a výslednou přesnost korekčního algoritmu.
Points proposed by reviewer: 90

Grade proposed by reviewer: A

File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 200,82 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová