Name: measuring spatially- and directionally-varying light scattering from biological material
Uploaded: 2013-05-20T12:00:00
Duration: 11 min 57 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material at JoVE.com

Denne forskning blev finansieret af National Science Foundation (NSF KARRIERE award CCF-0.347.303 og NSF tilskud CCF-0.541.105). Forfatterne vil gerne takke Jaroslav Křivánek, Jon Moon, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, og John Hermanson for deres intellektuelle bidrag. Cornell Sfærisk Gantry blev bygget fra et design grundet Duane Fulk, Marc Levoy og Szymon Rusinkiewicz.

<ol>
	<li>Nicodemus, F., Richmond, J., Hsia, J., Ginsberg, I., Limperis, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Geometric considerations and nomenclature for reflectance. , (1977).</li><li>Marschner, S. R., Jensen, H. W., Cammarano, M., Worley, S., Hanrahan, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light+scattering+from+human+hair+fibers.">Light scattering from human hair fibers.</a> ACM Transactions on Graphics (TOG). 22 (3), 780-791 (2003).</li><li>Marschner, S. R., Westin, S., Arbree, A., Moon, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+and+modeling+the+appearance+of+finished+wood.">Measuring and modeling the appearance of finished wood.</a> ACM Transactions on Graphics (TOG). 24 (3), 727-734 (2005).</li><li>Land, M. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+physics+and+biology+of+animal+reflectors.">The physics and biology of animal reflectors.</a> Progress in Biophysics and Molecular Biology. 24, 75-106 (1972).</li><li>Durrer, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Colouration.">Colouration.</a> Biology of the Integument: Vertebrates. 2 (12), 239-247 (1986).</li><li>Brink, D., van der Berg, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+colours+from+the+feathers+of+the+bird+Bostrychia+hagedash.">Structural colours from the feathers of the bird Bostrychia hagedash.</a> Journal of Physics D-Applied Physics. 37 (5), 813-818 (2004).</li><li>Kinoshita, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Structural colors in the realm of nature. , (2008).</li><li>Nakamura, E., Yoshioka, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+Color+of+Rock+Dove's+Neck+Feather.">Structural Color of Rock Dove's Neck Feather.</a> Journal of the Physical Society of Japan. 77 (12), 124801 (2008).</li><li>Westin, S., Arvo, J., Torrance, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Predicting+reflectance+functions+from+complex+surfaces.">Predicting reflectance functions from complex surfaces.</a> ACM SIGGRAPH Computer Graphics. 26 (2), 255-264 (1992).</li><li>Shawkey, M. D., Maia, R., D'Alba, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Proximate+bases+of+silver+color+in+anhinga+(Anhinga+anhinga)+feathers.">Proximate bases of silver color in anhinga (Anhinga anhinga) feathers.</a> Journal of Morphology. 272 (11), 1399-1407 (2011).</li><li>Maia, R., D'Alba, L., Shawkey, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=What+makes+a+feather+shine?+A+nanostructural+basis+for+glossy+black+colours+in+feathers.">What makes a feather shine? A nanostructural basis for glossy black colours in feathers.</a> Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 278 (1714), 1973-1980 (2011).</li><li>Dyck, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structure+and+light+reflection+of+green+feathers+of+fruit+doves+(Ptilinopus+spp.)+and+an+Imperial+Pigeon+(Ducula+concinna).">Structure and light reflection of green feathers of fruit doves (Ptilinopus spp.) and an Imperial Pigeon (Ducula concinna).</a> Biologiske Skrifter (Denmark). 30, 2-43 (1987).</li><li>Yoshioka, S., Kinoshita, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+macroscopic+structure+in+iridescent+color+of+the+peacock+feathers.">Effect of macroscopic structure in iridescent color of the peacock feathers.</a> Forma. 17 (2), 169-181 (2002).</li><li>Osorio, D., Ham, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+reflectance+and+directional+properties+of+structural+coloration+in+bird+plumage.">Spectral reflectance and directional properties of structural coloration in bird plumage.</a> Journal of Experimental Biology. 205 (14), 2017-2027 (2002).</li><li>Stavenga, D. G., Leertouwer, H. L., Pirih, P., Wehling, M. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+scatterometry+of+butterfly+wing+scales.">Imaging scatterometry of butterfly wing scales.</a> Optics Express. 1 (1), 193-202 (2009).</li><li>Vukusic, P., Stavenga, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physical+methods+for+investigating+structural+colours+in+biological+systems.">Physical methods for investigating structural colours in biological systems.</a> Journal of Royal Society Interface. 6, S133-S148 (2009).</li><li>Stavenga, D. G., Leertouwer, H., Marshall, N. J., Osorio, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dramatic+colour+changes+in+a+bird+of+paradise+caused+by+uniquely+structured+breast+feather+barbules.">Dramatic colour changes in a bird of paradise caused by uniquely structured breast feather barbules.</a> Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 278 (1715), 2098-2104 (2010).</li><li>Irawan, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Appearance of woven cloth [dissertation]. , (2008).</li><li>Irawan, P., Marschner, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Specular+reflection+from+woven+cloth.">Specular reflection from woven cloth.</a> ACM Transactions on Graphics (TOG. 31 (1), 11:1-11:20 (2012).</li><li>Vukusic, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+colour:+elusive+iridescence+strategies+brought+to+light.">Structural colour: elusive iridescence strategies brought to light.</a> Current Biology: CB. 21 (5), R187-R189 (2011).</li><li>Dana, K., Ginneken, B., Nayar, S., Koenderink, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reflectance+and+texture+of+real-world+surfaces.">Reflectance and texture of real-world surfaces.</a> ACM Transactions on Graphics (TOG). 18 (1), 1-34 (1999).</li><li>Chen, Y., Xu, Y., Guo, B., Shum, H. -. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+and+rendering+of+realistic+feathers.">Modeling and rendering of realistic feathers.</a> ACM Transactions on Graphics (TOG). 21 (3), 630-636 (2002).</li><li>Levoy, M., Zhang, Z., McDowall, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recording+and+controlling+the+4D+light+field+in+a+microscope+using+microlens+arrays.">Recording and controlling the 4D light field in a microscope using microlens arrays.</a> Journal of microscopy. 235 (2), 144-162 (2009).</li><li>Stevens, M., P&#225;rraga, C. A., Cuthill, I. C., Partridge, J. C., Troscianko, T. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+digital+photography+to+study+animal+coloration.">Using digital photography to study animal coloration.</a> Biological Journal of the Linnean Society. 90 (2), 211-237 (2007).</li><li>Kim, M. H., Harvey, T. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+imaging+spectroscopy+for+measuring+hyperspectral+patterns+on+solid+objects.">3D imaging spectroscopy for measuring hyperspectral patterns on solid objects.</a> ACM Transactions on Graphics (TOG). 31 (4), (2012).</li></ol>

Ingen interessekonflikter erklæret.

Selvom ydeevne og funktion af mange pigmentglaukom og strukturelle colorations godt anerkendes, morfologi mange hinderne er så komplekst, at deres strukturelle detaljer og funktion er dårligt forstået 20.. Hinderne har udviklet specialiseringer, som varierer rumligt over overfladen af ​​organismen til differentielt reflektere lys retningsbestemt ind imod seeren. Direktionalitet har fået opmærksomhed primært i studiet af regnbuefarver på grund af sin farveskift med skift af hændelsen og betragtningsvinkel og forskning i regnbuefarver af biologisk Integument har høstet primært 1D og nogle 2D målinger 8,12,17. Men generaliserede 6D målinger har ikke været rutine i studiet af hinderne 21-23, iriserende eller på anden måde, og litteraturen om organismal farve fænotyper er begrænset af manglen på retningsbestemte farvedata af typen vores metode giver. Fjeren er et særligt rich integumentary materiale omfattende arrangementer af milli-skala struktur barb: rami, distale bistråler og proksimale bistråler. Den lille skala af elementerne og deres komplekse arrangementer gør det vanskeligt at skelne lysspredningen udførelsen af ​​de enkelte elementer. Vores protokol held isoleret milli-skala struktur fra indflydelse af makro-skala geometri. Ved at karakterisere de funktionelle konsekvenser af den retningsbestemte udtryk for milli-skala strukturer til langt-området underskrift fjer aktiveret vi undersøgelse i deres adaptive konsekvenser. Vi står over for praktiske kompromiser mellem spektrale, rumlige og kantede opløsning. Vi valgte høj rumlig, middel kantet og lav spektrale for vores studier. Andre kombinationer kan anvendes, men nogle (fx alle høj) fører til unworkably lange måletidspunkter. Bør der lægges vægt hvor det er vigtigt for de særlige undersøgte fænomener. Ved at vælge at ansætte en RGB camera med en Bayer filter mosaik, har vi designet vores protokol til at matche det menneskelige visuelle system. RGB kamera kunne erstattes og vores protokol indrettet til at måle den relative farve stimulus af enhver organisme, er f.eks følsomhed i UV-spektret er nødvendig for at måle aviær tetra-kromatisk farve 24,25. En spektral billeddannelse kamera ville give den mest almindelige opløsning 25. Vi viste vores protokol med tertial vingefjer da de er farverige og let fladtrykt mod en reference plade. Desværre åbningen af ​​metalpladen afslørede kun en brøkdel af fjer overflade. Hvis vi samtidig kunne måle 3D-form fjer overflade, mens måle dens reflektans 25, kunne vi undgå mekanisk udfladning fjeren og i stedet måle hele fjer i sin naturlige, udfladet tilstand. Interaktive, specialiserede, integrerede værktøjer til visualisering data giver substantial gavn for forskere udforske og fortolke store datamængder. Jo større integration og interaktivitet, er de lettere forbindelser i de data, overholdes. I vores software, kan en bruger interaktivt plot gennemsnitlig retningsbestemt spredning som en funktion af overflade (Figur 4). Videreudvikling af vores software kunne integrere andre plotte funktioner (figur 6, 7) for at udvide den interaktive oplevelse.

Farven og mønster af en organismes integument spille økologisk og socialt kritiske funktioner i de fleste dyr taxa. Disse fænotypiske egenskaber bestemmes ved lysets vekselvirkning med strukturen af et integument, som kan udvise optisk spredning, der varierer både rumligt (på tværs af overfladen af et integument) og retningsbestemt (med ændringer i belysning og synsretningen). I komplekse biologiske materialer, såsom fjer, er retningen af ​​lysspredning påvirket af orienteringen af ​​gentagne milli-skala geometri. Disse milli-skala strukturer selv kan være integreret med nano-skala strukturer, såsom melanin arrays, som ofte arver milli-skalaen orientering. Fra nano-til makro-skalaer, er strukturen af ​​et integument udviklet funktionelt at øge signalering evne af organismen. For at vurdere indflydelsen af ​​morfologi af forskellige skalaer på det generelle udseende, værktøj tilmåle og analysere farven af ​​biologiske strukturer skal fleksibilitet til at isolere retningsbestemt lysspredning på forskellige skalaer af forstørrelse. Vi udviklede image-baserede måleværktøjer at studere, hvordan udførelsen af ​​en fjer komplekse og varierede milli-skalaen morfologi (barb rami, distal bistråler og proksimale bistråler) udvider rækken af ​​udtrykket muligt fra nano-skala strukturer alene. I et enkelt billede optaget med kameraet, observerede vi, at lys reflekteres forskelligt på forskellige steder på overfladen af ​​fjer, dvs lysreflektion var rumligt varierende. Når vi flyttede lyset og kameraet retning i forhold til fjeren, observerede vi reflektans ændret sig, er, lysreflektion blev retningsbestemt-varierende 1. Efter disse observationer, der er designet vi en protokol til metodisk flytte lyset og kameraet rundt på motivet med en sfærisk portalkran 2,3, som vi fangede 2 dimensioner surface position (X og Y), 2 dimensioner lysets retning (breddegrad og længdegrad), og 2 dimensioner kameraets retning (breddegrad og længdegrad) (Figur 2). I software vi visuelt udforsket 6 dimensioner af det spredte lys som en funktion af positionen, belysning retning og visning retning. Tidligere forskning i reflektans fra hinderne har alt for ofte diskonteret bidrag retningsfunktion - fx diffus vs spejlende eller isotropisk vs anisotropisk refleksion - til farve udtryk. De fleste farvemålinger har faste det indfaldende lys, objektet og visning geometri til omhyggeligt at undgå retningsbestemte effekter. For eksempel, for at eliminere spejlende refleksion fra farvemålinger er det almindeligt at placere lyset vinkelret på overfladen og optage reflektansen ved 45 ° fra det normale. Undersøgelser, der gør link morfologi til retningsbestemt-varierende reflektans typisk fokusere på nanoskalaog dens iriserende konsekvenser 4-8. Få overveje bidrag mikro-, milli-og makro-skala geometrier til langt-området optisk signatur 8-11. Det er derfor almindeligt at ansætte en lysdetektor at samle reflektans på tværs af et enkelt område af interesse, som kan omfatte flere milli-og / eller makroniveau komponenter, såsom barb rami, bistråler og endda hele fjer 6,8,11-17 . Når området af interesse er enten mindre end opløsningen grænse for detektoren eller ikke i overensstemmelse med formen af detektorens synsfelt, den fælles protokol specificerer prøve dissektion at isolere lysspredningen fra den specifikke milli-skala element 8,10 , 13,15. Vi har udviklet en mere omfattende protokol for måling erhvervelse og visualisering, der tilskynder udforskning af de mange variabler ofte ignoreret i andre mere fokuserede studier. Vi måler lysspredning over en kugle med retninger og ACROSsa område af rummet ved hjælp af en massiv sæt af høj dynamikområde, højopløselige billeder taget fra en systematisk sæt af lys og visning retninger. Vi anvender en høj opløsning billedsensor med sin 2D-matrix af fine-skala pixel detektorer. Aggregering i hardware optræder på pixel-niveau, på en skala mindre end milli-skala elementer vi måler. En anden fase aggregater enkelte pixels i software som brugeren vælger formen og størrelsen af ​​regionen af ​​interesse. Følgelig kan en enkelt måling sæt gentagne gange analyseret i software til at udforske forskellige aspekter af lys vekselvirkning med materiale på flere biologisk relevante positioner og vægt. Ved at fjerne dissektion og måling af hele fjer, har vores protokol den fordel at forlade morfologi fjer vinge intakt, fastholde naturlig sammenhæng og funktion, der er, lysets vekselvirkninger mellem konstituerende milli-skala elementer. Lysspredning fra organismal structure er flerdimensional og vanskelig at kvantificere. Målt 6D lysspredning kan endnu ikke tilskrives specifikke morfologi inden for et hierarki af skalaen med enhver ental instrument. Men vi har taget et vigtigt skridt i denne stræben. Vi har udviklet et værktøj, der omfatter tre komplementære metoder - prøvetagning reflectance bruger gantry, udforske store datamængder i software, og visualisere data delmængder grafisk - at udvide vores evne til at måle 6D lysspredning på ethvert punkt på et materiale, ned til milli-skalaen. Som protokoller som vores er ansat, forudser vi biologer vil identificere et utal af retningsbestemt-og rumligt varierende karaktertræk og tilsvarende strukturelle tilpasninger på flere skalaer af udvikling. Brug vores værktøjer vi er engageret i at karakterisere signalering potentiale retningsbestemt og rumlige udtryk for milli-skala strukturer, og håber at kaste lys på deres adaptive konsekvenser. Vi tage en række spørgsmål, såsom: fra eny given observation punkt, som fin-skala elementer eller brutto-skala regioner i fjeren afspejler kraftigt? Hvordan orienteringen af ​​fine-skala elementer påvirke retningen af ​​spredt lys? Hvilke morfologiske forhold producere et satinagtig glans vs en sequined gnist af iriserende ornament? Har nogle arter producerer bredere &quot;vinduer&quot; for observation af regnbuefarver end andre? Disse spørgsmål kan blive bedt om fugle og deres fjer, men også om alle andre organismer, der har udviklet en bestemt overflade udseende til signalering, camouflage, eller af andre grunde.

measuring spatially- and directionally-varying light scattering from biological material

Lys vekselvirker med en organismes integument på en række rumlige skalaer. For eksempel i en iriserende fugl: nano-skala strukturer producerer farve, den milli-skala struktur modhager og bistråler stort set bestemmer den retningsbestemte mønster af reflekteret lys, og gennem makroniveau rumlig struktur overlappende, buede fjer, skabe disse retningsbestemte effekter den visuelle tekstur. Milli-skala og makroskala virkninger afgøre, hvor på organismen krop, og fra hvad synsvinkler og under hvilke belysning er de iriserende farver set. Således er meget retningsbestemt flash af strålende farver fra iriserende hals en kolibri utilstrækkeligt forklares ved dets nanoskala struktur alene og spørgsmål forbliver. Fra en given observation punkt, er som milli-skala elementer i fjer orienteret til reflektere kraftigt? Har nogle arter producerer bredere &quot;vinduer&quot; for observation af regnbuefarver end andre? Disse og lignende spørgsmål may blive spurgt om eventuelle organismer, der har udviklet en bestemt overflade udseende til signalering, camouflage, eller af andre grunde. For at undersøge de retningsbestemte mønstre af lysspredning fra fjer, og deres forhold til fuglens milli-skala morfologi, har vi udviklet en protokol til måling af lys spredes fra biologiske materialer ved hjælp af mange højopløselige fotografier taget med varierende belysning og visning retninger. Da vi måler spredte lys som en funktion af retning, kan vi iagttage de karakteristiske træk i den retningsbestemte fordeling af lys spredes fra denne særlige fjer, og fordi modhager og bistråler løses i vores billeder, kan vi tydeligt tilskrive de retningsbestemte funktioner til disse forskellige milli-skala strukturer. Holde prøven intakt bevarer brutto-skalaen spredning adfærd ses i naturen. Den her beskrevne fremgangsmåde giver en generel protokol for analyse rumligt og retningsbestemt-vanemføre lysspredning fra komplekse biologiske materialer på flere strukturelle skalaer.

Den primære måling af vores protokol (Rutinemæssig I i figur 1) fastgjort kameraet retningen vinkelret på overfladen og kun flyttes lyset. Da lysspredningsmålinger klæber til princippet om gensidighed, er resultatet det samme, om vi holder kameraet konstant, mens du flytter lys over halvkugle eller vice versa. Når vi ordne enten kameraet eller lyset, bliver den komplette 4-dimensional retning sæt undersamplet. Et mere fuldstændigt billede af spredningen adfærd observeres når, i modsætning til den primære måling, er både lys og kamera bevæget sig væk fra overfladen normale og i en mangfoldighed af retninger. Ideelt kunne vi måle lysspredning fra mange kamera retninger, lige så mange som antallet af indfaldende lys retninger, til opnåelse af en symmetrisk datasæt. I praksis vil dette kræve alt for mange engagementer. Det er vores erfaring, kan vi få tilstrækkelige oplysninger om forskellige visning positioner ved at flytte kameraet et par gange høj grad af sikkerhedming 180 ° rotationssymmetri om overfladen normale. Under den sekundære måling fase købte vi målinger fra 7 synsretninger fordelt over halvkugle og inden for 60 ° af zenit 18,19 (Rutinemæssig II.A i figur 1). I tallene i dette papir viser vi repræsentative data målt fra en fjer i Lamprotornis purpureus (Purple Glossy Starling) refleksionstal som er iriserende, blankt og anisotropisk (figur 5). I hver af de 7 visning retninger, reflekteres lys indsamlet fra hundredvis af hændelsen belysning retninger på halvkugle. De retninger danner et smalt bånd ortogonalt orienteret til den centrale akse af fjer (se fjer billedet i figur 4). Den regnbuefarver farveskift er subtil (blågrønt ved normal forekomst og grønlig-blå ved strejfende indfald), når fjer ses vinkelret på dens overflade, som ses i {0 °, 0 &amp; deg} RGB plot af figur 5. Da synsvinklen tilgange græsning, er vinklerne mellem visning retning og de græssende hændelsen retninger maksimeret, hvilket fører til en mere slående farveskift (blågrønne ved 0 ° og magenta ved 240 ° mellem hændelsen og visning retninger) som set i {60 °, 0 °} RGB plot i fig. 5. Vi har råd til at træde lyset og kameraet ved meget finere kantede opløsning, når vi begrænser bevægelser til 1 dimension. Figur 6 viser kromatiske af refleksionstal L. purpureus fjerdragt som en funktion af vinklen mellem den indfaldende og synsretninger, hvor hændelsen og visning retninger er i planet indeholdende den spejlende bånd, som er vinkelret på den langsgående akse af den distale barbule. Da de iriserende farve buer gennem kromaticiteten plads, skifter nuance fra blålig-grøn til lilla. Spatial vari<html> tion i den retningsbestemte reflektans er synlig hvis forskellig (X, Y) koordinaterne Integument svarer til forskellige milli-skala strukturer. I tilfælde af L. purpureus kun én struktur - den distale barbule - er synlig over det meste af området. Derimod, i C. cupreus, tre milli-skala strukturer - de rami, distale bistråler og proksimale bistråler - der skelnes klart mellem de data, vi kan konstatere, at refleksionen fra fjeren er orienteret i forhold til længdeaksen af hver struktur (figur 8) . <img alt="Figur 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1.jpg" /> Figur 1. Denne skematiske oversigt viser to monteringsmetoder, den sfæriske gantry koordinatsystem, typer af erhvervelse prøvetagning og deres respektive resultater.<html> / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Klik her for at se større figur. <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig2.jpg" /> Figur 2. Den fladtrykte fjer er synligt gennem en åbning i en metalplade omgivet af en ring af mål. En sfærisk gantry kan blive stillet til at måle lysspredning fra en fjer på multipel hændelse belysning og synsretninger. L = Let arm (breddegrad). C = Camera arm (breddegrad). B = Camera Base (længde). T = Turntable (længde). F = Fjer. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig3.jpg" /> Figur 3. Gennemsnitlig retningsbestemt spredning kan beregnes fra et punkt, linie eller rektangulære område af fjer vinge. p_upload/50254/50254fig4highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg &quot;/&gt; Figur 4.. Eksempel på retningsbestemt scattering plotte funktioner (R * = Reflectance, T * = transmittans, P * = Top, F * = Front, S * = Side, A * = Vilkårlig) og farve ordninger (* 1 = Luminance, * 2 = RGB , * 3 = Chromaticity). <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig4large.jpg" target="_blank">Klik her for at se større figur</a> . <img alt="Figur 5" fo:content-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5.jpg" /> Figur 5. Den luminans (øverst) og RGB-farve (bunden) af halvkugleformede reflektans i retning cosinus rummet som set fra de (elevation vinkel azimutvinkel) koordinatpar: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °}, og {60 °, 135 °}. reflektansen<html> gennemsnit fra en 25 × 25 pixel rektangulært område af den laterale vinge af en tertial L. purpureus (Purple Glossy Starling) fjer. De røde pile repræsenterer kamera retninger. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig5large.jpg" target="_blank">Klik her for at se større figur</a> . <img alt="Figur 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6.jpg" /> Figur 6.. Kromaticiteten af refleksionen som en funktion af den halve vinkel mellem hændelsen belysning og visning retninger:. CIE 1976 Ensartede kromaticitet Vægte (USC) med forstørret region <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig6large.jpg" target="_blank">Klik her for at se større figur</a> . / 50254/50254fig7highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg &quot;/&gt; Figur 7. Reflektans som en funktion af vinklen mellem den indfaldende belysning og synsretninger, i planet med (rød) og vinkelret på (skraveret) længdeakse den distale barbule: (A) Dominerende bølgelængde, (B) Procent Chroma, (C ) Procent luminans. Farven skygge i plot A er RGB farve reflektans. Negative bølgelængde værdier repræsenterer farver i non-spektrale lilla trekant. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig7large.jpg" target="_blank">Klik her for at se større figur</a> . <img alt="Figur 8" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8.jpg" /> Figur 8. Gennemsnitlig retningsbestemt reflektans distale bistråler og proximale bistråler mellem to tilstødende rami af C. cupreus (AfRica Emerald Cuckoo). <img alt="Figur 9" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9.jpg" /> Figur 9. (A) Ikke-rektificeret billede belyst af gantry lampe, (b) ikke-rektificeret billede belyst af flash på kameraet, (C) Filtreret mål kandidater på affine-transformerede, flash-belyst billede, (D) velbehageligt skarpe mål inden dybde felt, (E) Rektificeret lampe-belyst billede, (F) roteret fjer tippe op, beskåret og maskerede. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig9large.jpg" target="_blank">Klik her for at se større figur</a> .

Watch this Scientific Journal Video about Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material at JoVE.com

Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material

Vi præsenterer en ikke-destruktiv metode til prøveudtagning rumlig variation i retning af lys spredes fra strukturelt komplekse materialer. Ved at holde materialet intakt, bevare vi brutto-skala spredning adfærd, mens samtidig at opfange fine-skala retningsbestemte bidrag med høj opløsning billeddannelse. Resultaterne er visualiseret i software på biologisk relevante positioner og vægt.

Måling rumligt og retningsbestemt-varierende lysspredning fra biologisk materiale

Light interacts with an organism's integument on a variety of spatial scales. For example in an iridescent bird: nano-scale structures produce color; the ...

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Engineering

Physics

Mechanical Engineering

Unit 1

Physics Basics

Units, Dimensions, and Measurements

SCIENTISTS IN ACTION

Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides

Fabrikation af Rumligt Indesluttet komplekse oxider

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from ...

Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering

Måling Materiale Mikrostruktur Under Flow Brug 1-2 Plane Flow-Small Angle neutronspredning

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is ...

Using Neutron Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering to Investigate Organic Solar Cell Materials

Brug Neutron Spin Echo løst græsning Incidens Scattering at undersøge organiske solcellematerialer

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped ...

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Måling af Spredning ulineariteter fra en enkelt plasmoniske Nanopartikel

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation

Eksperimentelle metoder til undersøgelse af Shape Memory Baseret Elastocaloric Køling Processer og Model Validation

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) -baseret metode til kvantitativ evaluering af fremadrettet og bagudlysudspredning fra intraokulære linser

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...

High-speed Continuous-wave Stimulated Brillouin Scattering Spectrometer for Material Analysis

High-Speed kontinuerte stimuleret Brillouin spredning spektrometer for materielle analyse

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as ...

Determination of the Excitation and Coupling Rates Between Light Emitters and Surface Plasmon Polaritons

Bestemmelse af Excitation og kobling mellem lys udledere og overflade Plasmon Polaritons

We have developed a unique method to measure the excitation and coupling rates between the light emitters and surface plasmon polaritons (SPPs) arising ...

Synchrotron X-ray Microdiffraction and Fluorescence Imaging of Mineral and Rock Samples

Synkrotron X-ray Microdiffraction og fluorescens billeddannelse af mineralsk og Rock prøver

In this report, we describe a detailed procedure for acquiring and processing&#160;x-ray microfluorescence (&#956;XRF), and Laue and powder ...

Measurement of Dynamic Force Acted on Water Strider Leg Jumping Upward by the PVDF Film Sensor

Måling af dynamisk kraft handlet på vand Strider ben hoppe opad ved PVDF Film Sensor

This study aimed to make an explanation for the phenomenon in nature that water strider usually jumps or glides on the water surface easily but quickly, ...