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

Dit onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation (NSF LOOPBAAN award CCF-0347303 en NSF subsidie ​​CCF-0541105). De auteurs willen graag Jaroslav Křivánek, Jon Moon, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, en John Hermanson bedanken voor hun intellectuele bijdragen. De Cornell Sferische Gantry werd gebouwd naar een ontwerp vanwege Duane Fulco, Marc Levoy en 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>

Geen belangenconflicten verklaard.

Hoewel de prestaties en de functie van vele pigmentair en structurele verkleuringen worden goed herkend, de morfologie van vele integumenten is zo complex dat hun structurele detail en functie slecht begrepen 20. Integumenten hebben specialisaties die ruimtelijk variëren over het oppervlak van het organisme te verschillend reflecteren licht directioneel naar de kijker ontwikkeld. Directionaliteit heeft aandacht gekregen in de eerste plaats in de studie van kleurenspel vanwege de kleurverschuiving met verandering van incident-en kijkhoek, en onderzoek naar kleurenspel van biologische omhulsel heeft voornamelijk 1D oogstte en sommige 2D metingen 8,12,17. Maar gegeneraliseerde 6D metingen geen routine zijn in de studie van integumenten 21-23, iriserend of anderszins, en de literatuur over organismale kleur fenotypes wordt beperkt door het ontbreken van directionele kleurgegevens van het type onze werkwijze verschaft. De veer is een bijzonder rich integumentary materiaal omvattende regelingen van milli-schaal structuur van de weerhaak: Rami, distale baardjes, en proximale baardjes. De kleine omvang van de elementen en hun complexe arrangementen maken het moeilijk om de lichtverstrooiing prestaties van de afzonderlijke elementen onderscheiden. Ons protocol met succes geïsoleerd milli-schaal structuur van de invloed van macro-schaal geometrie. Door het karakteriseren van de functionele gevolgen van de directionele expressie van milli-schaal structuren om het verre veld handtekening van de veer, we ingeschakeld onderzoek naar hun adaptieve gevolgen. We geconfronteerd praktische afwegingen tussen spectrale, ruimtelijke en hoekige resolutie. We kozen voor een hoge ruimtelijke, middelgrote hoekige en lage spectrale voor onze studies. Andere combinaties kunnen worden gebruikt, maar sommige (bv. alle hoog) leiden tot een werkbaar lange meettijden. Aandacht moet worden besteed waarbij het belangrijk is voor de specifieke onderzochte verschijnselen. Bij het kiezen van een RGB-ca in dienstmera met een Bayer filter mozaïek, ons protocol ontworpen we aan het menselijke visuele systeem passen. De RGB-camera kan worden vervangen en ons protocol aangepast aan de relatieve kleurenstimulus van een organisme te bepalen, wordt bijvoorbeeld de gevoeligheid in het UV spectrum nodig aviaire tetra-chromatisch 24,25 meten. Een spectrale imaging camera zou de meest algemene oplossing te bieden 25. We toonden ons protocol met TERTIAL vleugelveren omdat ze zijn kleurrijk en gemakkelijk plat tegen een referentie-plaat. Helaas, de opening van de metaalplaat bleek slechts een fractie van de veer oppervlak. Als we tegelijk konden meten de 3D-vorm van het veer oppervlak, terwijl het meten van de reflectie 25, konden we mechanisch voorkomen afvlakken van de veren en in plaats daarvan meet de gehele veer in zijn natuurlijke, niet-afgevlakte staat. Interactief, gespecialiseerde, geïntegreerde tools voor het visualiseren van data te voorzien substantial voordeel voor wetenschappers onderzoeken en interpreteren van grote hoeveelheden gegevens. Hoe groter de integratie en interactiviteit, hoe gemakkelijker verbindingen in het niet worden overschreden. In onze software, kan de gebruiker interactief plotten gemiddelde directionele verstrooiing als een functie van oppervlaktepositie (figuur 4). Verdere ontwikkeling van onze software konden integreren andere plotten functies (figuren 6, 7) om de interactieve ervaring te verlengen.

De kleur en het patroon van het omhulsel van een organisme spelen ecologisch en sociaal kritische functies in de meeste dierlijke taxa. Deze fenotypische eigenschappen worden bepaald door de interactie van licht met de structuur van het integument op optische verstrooiing dat zowel ruimtelijk (over het oppervlak van de omhulling) en directioneel (met verandering van verlichting en kijkrichting) varieert kan vertonen. In complexe biologische materialen, zoals veren, wordt de richting waarin het licht beïnvloed door de oriëntatie van herhalende milli-schaal geometrie. Deze milli-schaal structuren zelf kan worden ingebed met nano-schaal structuren, zoals melanine arrays, die vaak erven de milli-schaal oriëntatie. Van nano-tot macroschaal is de structuur van het integument functioneel uitgegroeid tot het signaleren vermogen van het organisme verhogen. Om de invloed van de morfologie van verschillende schalen nagegaan na het totaalbeeld, tools waarmeemeten en analyseren van de kleur van biologische structuren moeten flexibiliteit om gericht licht verstrooiing isoleren op verschillende schalen van vergroting. We ontwikkelden image-based meetinstrumenten te onderzoeken hoe de prestaties van complexe en gevarieerde milli-schaal morfologie een veertje&#39;s (weerhaak rami, distale baardjes, en proximale baardjes) breidt het bereik van meningsuiting mogelijk vanaf nano-schaal structuren alleen. In een beeld opgenomen door de camera waargenomen dat licht dat anders naar verschillende locaties op het oppervlak van de veer, dat wil zeggen lichtreflectie werd ruimtelijk variërende. Toen we verhuisden het licht en de camera richting ten opzichte van de veer, zagen we de reflectie veranderd, dat is, lichtreflectie werd directioneel-variërende 1. Naar aanleiding van deze opmerkingen, een protocol ontworpen we methodisch het licht en de camera rond het onderwerp te verplaatsen met behulp van een sferische gantry 2,3, waarmee we gevangen 2 dimensies van surface positie (X en Y), 2 dimensies van licht richting (lengte-en breedtegraad), en 2 afmetingen van de camera richting (lengte-en breedtegraad) (Figuur 2). In software die we visueel onderzocht de 6 dimensies van het verstrooide licht als functie van de positie, verlichting richting en kijkrichting. Eerder onderzoek naar de reflectie van integumenten heeft te vaak verdisconteerd de bijdrage van gerichtheid - bijvoorbeeld diffuus versus spiegelende of isotrope vs anisotrope reflectie - op kleur expressie. De meeste kleur metingen hebben het invallende licht, voorwerp, en het bekijken geometrie vast om zorgvuldig te voorkomen directionele effecten. Bijvoorbeeld, om spiegelende reflectie van kleurmetingen elimineren, is het gebruikelijk om het licht loodrecht op het oppervlak plaatst en registreert de reflectie bij 45 ° van de normaal. Studies die wel verwijzen morfologie aan directioneel-wisselende reflectie meestal richten op de nano-schaalen de iriserende consequenties 4-8. Weinig rekening houden met de bijdrage van micro-, milli-, en macro-schaal geometrieën naar het verre-veld optische handtekening 8-11. Het is dan ook gebruikelijk om een lichte detector gebruiken om geaggregeerde reflectie over een gebied van belang dat meerdere milli-en / of macro-schaal componenten, zoals weerhaak rami, baardjes, en zelfs hele veren 6,8,11-17 kunnen onder . Wanneer de regio van belang is of kleiner is dan de limiet resolutie van de detector of niet voldoen aan de vorm van het gezichtsveld van de detector, de gemeenschappelijke protocol bevat specimen dissectie om de lichtverstrooiing te isoleren van de specifieke milli-schaal element 8,10 , 13,15. We hebben een meer omvattende protocol voor het meten acquisitie en visualisatie die verkenning van de vele variabelen vaak genegeerd in andere, meer gerichte studies aanmoedigt ontwikkeld. We meten lichtverstrooiing over een sfeer van aanwijzingen en Acrossa gebied in de ruimte met behulp van een enorme reeks van high-dynamisch bereik, hoge-resolutie foto&#39;s genomen uit een systematische set van licht en kijkrichtingen. We maken gebruik van een hoge resolutie beeldsensor met zijn 2D-serie van fijn-schaal pixel detectoren. Aggregatie in hardware vindt plaats op de pixel-niveau, op een schaal kleiner dan de milli-schaal elementen we meten. Een tweede fase aggregaten individuele pixels in software als de gebruiker selecteert de vorm en grootte van de regio van belang. Dienovereenkomstig, kan een enkele meting set herhaaldelijk worden geanalyseerd in de software om de verschillende aspecten van licht interactie onderzoeken met materiaal op meerdere biologisch relevante posities en schalen. Door het elimineren van dissectie en het meten van de gehele veer, ons protocol heeft het voordeel van het verlaten van de morfologie van de veer vaan intact, met behoud van de natuurlijke context en de functie die is, interacties licht, tussen samenstellende milli-schaal elementen. Lichtverstrooiing van organismaal structuur is multidimensionaal en moeilijk te kwantificeren. Gemeten 6D lichtverstrooiing kan nog niet worden toegeschreven aan de specifieke morfologie binnen een hiërarchie van de schaal met een enkelvoud instrument. Maar we hebben een belangrijke stap in dit streven gemaakt. Bemonstering reflectie via het portaal, het verkennen van grote hoeveelheden gegevens in de software, en visualiseren van data subsets grafisch - - We hebben een tool omvat drie complementaire methodes ontwikkeld om ons vermogen om 6D lichtverstrooiing te meten op elk punt op een materiaal te verlengen, tot aan de milli-schaal. Als protocollen zoals de onze in dienst zijn, voorspellen we biologen zullen een groot aantal gerichte-en ruimtelijk variërende eigenschappen en bijbehorende structurele aanpassingen op meerdere schalen van ontwikkeling te identificeren. Met onze gereedschappen zijn we bezig met het karakteriseren van de signalering potentieel van de richtingstoetsen en de ruimtelijke expressie van milli-schaal structuren, en hopen om licht te werpen op hun adaptieve gevolgen. We pakken een aantal vragen, zoals: van eeny gegeven observatiepunt, die fijnschalige elementen of grove schaal gebieden van de veer weerspiegelen sterk? Hoe werkt de oriëntatie van de gedetailleerde elementen invloed op de richting van het verstrooide licht? Welke morfologische omstandigheden produceren een satijnachtige glans versus een lovertjes schittering van de iriserende ornament? Sommige soorten produceren bredere &quot;windows&quot; voor de observatie van kleurenspel dan anderen? Deze vragen kunnen worden gesteld over vogels en hun veren, maar ook over alle andere organismen die een bepaald uiterlijk van het oppervlak voor het signaleren, camouflage, of andere redenen zijn geëvolueerd.

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

Licht reageert met omhulling van een organisme op verschillende schaalniveaus. Bijvoorbeeld in een iriserende vogel: nano-schaal structuren te produceren kleur, de milli-schaal structuur van de baarden en baardjes bepaalt grotendeels de directionele patroon van gereflecteerd licht, en door de macro-schaal ruimtelijke structuur van overlappende, gebogen veren, deze directionele effecten te creëren de visuele textuur. Milli-schaal en de macro-schaaleffecten bepalen waar op het lichaam van het organisme, en van wat standpunten en onder welke belichting, zijn de iriserende kleuren gezien. Zo is het sterk gerichte flits van prachtige kleuren van de iriserende keel van een kolibrie onvoldoende verklaard door de nano-schaal structuur alleen en vragen blijven. Vanuit een bepaalde waarneming punt, dat milli-schaal elementen van de veren zijn gericht op een duidelijke afspiegeling? Sommige soorten produceren bredere &quot;windows&quot; voor de observatie van kleurenspel dan anderen? Deze en soortgelijke vragen may worden gevraagd over alle organismen die een bepaald uiterlijk van het oppervlak voor het signaleren, camouflage, of andere redenen zijn geëvolueerd. Om de directionele patronen van licht verstrooiing bestuderen van veren, en hun relatie met milli-schaal morfologie van de vogel, hebben we een protocol voor het meten van licht dat uit biologisch materiaal met behulp van een groot aantal high-resolution foto&#39;s genomen met wisselende verlichting en kijkrichtingen ontwikkeld. Aangezien wij verstrooide licht te meten als functie van de richting, kunnen we de karakteristieke kenmerken van de directionele spreiding van het licht verstrooid uit die veren te observeren, en omdat de weerhaken en baardjes zijn opgelost in onze beelden, kunnen we duidelijk toeschrijven de directionele mogelijkheden om deze verschillende milli-schaal structuren. Het houden van het monster intact blijft de bruto-omvang verstrooiing gedrag gezien in de natuur. De hier beschreven methode presenteert een generiek protocol voor het analyseren van ruimtelijk-en directioneel-varying lichtverstrooiing van complexe biologische materialen op meerdere structurele schalen.

De primaire meting van ons protocol (Routine I in figuur 1), is de camera richting loodrecht op het oppervlak en slechts verplaatst het licht. Sinds lichtverstrooiing hecht aan het beginsel van wederkerigheid, het resultaat is hetzelfde, of we houden de camera constant tijdens het verplaatsen van het licht over het halfrond of omgekeerd. Toen we fix ofwel de camera of het licht, wordt de volledige 4-dimensionaal set onderbemonsterd. Een volledig beeld van de verstrooiing gedrag wordt waargenomen wanneer, in tegenstelling tot de primaire meting, zowel licht en camera worden bewogen vanaf de oppervlakte normaal en in een veelheid van richtingen. Idealiter zouden we lichtverstrooiing meten van vele camera richtingen, zelfs zo veel als het aantal invallende licht richtingen, een symmetrische dataset opleveren. In de praktijk zou dit veel te veel risico&#39;s vereisen. In onze ervaring, kunnen wij voldoende informatie over de verschillende standen bekijken, verkrijgen door de camera een paar keer Assu bewegenming 180 ° rotatiesymmetrie over de oppervlaktenormaal. Tijdens de secundaire meetfase, metingen verkregen we bij 7 kijkrichtingen verdeeld over de halve bol binnen 60 ° van het zenit 18,19 (Routine II A in figuur 1). In de cijfers van dit document, tonen we representatieve gegevens gemeten van een veer van Lamprotornis purpureus (Purple Glossy Starling), de reflectie van die iriserend, glanzend, en anisotrope (figuur 5). In elk van de 7 kijkrichtingen, wordt gereflecteerd licht verzameld van honderden incidenten verlichting aanwijzingen op het halfrond. De aanwijzingen vormen een smalle band orthogonaal georiënteerd op de centrale as van de veer (zie afbeelding veer in figuur 4). De iriserende kleurverschuiving is subtiel (blauwgroen bij normale inval en groen-blauw bij scherende inval) wanneer de veer loodrecht op het oppervlak wordt gezien zoals in de {0 °, 0 en deg;} RGB plot van figuur 5. Aangezien de kijkhoek benaderingen grazen, wordt de hoek tussen de kijkrichting en de grazende incident richtingen gemaximaliseerd, waardoor een meer opvallende kleurverschuiving (blauwgroene bij 0 ° en magenta op 240 ° tussen invallende en kijkrichtingen) zoals in de {60 °, 0 °} RGB plot in figuur 5. We kunnen veroorloven te stappen het licht en de camera op een veel fijnere hoekresolutie toen we beperken de bewegingen op 1 dimensie. Figuur 6 toont de kleurkwaliteit van de reflectie van L. purpureus veren als een functie van de hoek tussen de invallende en kijkrichtingen, waarbij het ​​incident en kijkrichtingen in het vlak waarin de spiegelende band, loodrecht op de langsas van de distale barbule. Zoals de iriserende kleur bogen door kleursoort diagram, de tint verschuift van blauw-groen tot paars. Ruimtelijke vari<html> atie in de directionele reflectie zichtbaar wanneer verschillende (X, Y) coördinaten van het integument overeen met verschillende milli-schaal structuren. In het geval van L. purpureus slechts een structuur - de distale barbule - is zichtbaar over het grootste deel van het gebied. Daarentegen in C. cupreus drie milli-schaal structuren - de rami, barbules distale en proximale barbules - duidelijk onderscheiden in de gegevens kunnen wij reflectie waarnemen van de veer is georiënteerd ten opzichte van de langsas van elke structuur (figuur 8) . <img alt="Figuur 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1.jpg" /> Figuur 1. Deze schematische weergave toont twee methoden voor de montage, de sferische gantry coördinatensysteem soorten verwerving bemonstering en hun resultaten.<html> / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken. <img alt="Figuur 2" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig2.jpg" /> Figuur 2. De afgeplatte veer is zichtbaar door een opening in een metalen plaat, omgeven door een ring van doelen. Een sferische portaal kan worden gesteld aan lichtverstrooiing te meten van een veer op meerdere incidenten verlichting en kijkrichtingen. L = Light arm (breedtegraad). C = Camera arm (breedtegraad). B = Camera Base (lengtegraad). T = Draaitafel (lengtegraad). F = Feather. <img alt="Figuur 3" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig3.jpg" /> Figuur 3. Gemiddelde directionele verstrooiing kan worden berekend op basis van een punt, lijn of rechthoekig gebied van veren vaan. p_upload/50254/50254fig4highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg &quot;/&gt; Figuur 4. Voorbeeld van directionele verstrooiing plotten functies (R * = reflectie, T * = Transmittance, P * = Top, F * = Front, S * = Side, A * = willekeurige) en kleuren (* 1 = Luminance, * 2 = RGB , * 3 = Chromaticity). <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig4large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere afbeelding te bekijken</a> . <img alt="Figuur 5" fo:content-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5.jpg" /> Figuur 5. De luminantie (boven) en RGB-kleur (onderkant) van de hemisferische reflectie in de richting cosinus ruimte gezien vanaf de (elevatiehoek, azimuthoek) coördinatenparen: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °} en {60 °, 135 °}. de reflectantie<html> gemiddelde van een 25 × 25 pixel rechthoekig gebied van de laterale lamel van een TERTIAL L. purpureus (Purple Glossy Starling) veren. De rode pijlen geven de camera richtingen. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig5large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken</a> . <img alt="Figuur 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6.jpg" /> Figuur 6. Kleurkwaliteit van de reflectie als functie van de halve hoek tussen de invallende verlichting en kijkrichtingen:. CIE 1976 Uniform Chromaticity Scales (USC) met vergrote regio <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig6large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken</a> . / 50254/50254fig7highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg &quot;/&gt; Figuur 7. Reflectie als functie van de hoek tussen het invallende licht en kijkrichtingen, in het vlak met (rood) en loodrecht op (gearceerd) de lengteas van het distale barbule: (A) Dominante golflengte, (B) Procent chroma (C ) Procent luminantie. De kleurschakering in perceel A is de RGB-kleur van de reflectie. Waarden negatief golflengte vertegenwoordigen kleuren in de niet-spectrale paarse driehoek. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig7large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken</a> . <img alt="Figuur 8" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8.jpg" /> Figuur 8. Gemiddelde directionele reflectie van distale baardjes en proximale baardjes tussen twee aangrenzende rami van de C. cupreus (AfRicaanse Emerald Cuckoo). <img alt="Figuur 9" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9.jpg" /> Figuur 9. (A) niet-gerectificeerde afbeelding verlicht door gantry lamp, (B) niet-gerectificeerde afbeelding verlicht door flits op de camera, (C) Gefilterd doelgroep kandidaten op affine-getransformeerde, flash-verlichte afbeelding, (D) Acceptabel scherpe doelen binnen de diepte van veld, (E) image Rectified lamp-verlicht, (F) gedraaid veer tip up, bebouwd en gemaskeerd. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig9large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken</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

We presenteren een niet-destructieve methode voor het bemonsteren van ruimtelijke variatie in de richting van het licht verstrooid over structureel complexe materialen. Door het houden van het materiaal intact, we bewaren bruto-schaal verstrooiing gedrag, terwijl tegelijkertijd het vastleggen van gedetailleerde directionele bijdragen met een hoge resolutie imaging. Resultaten worden gevisualiseerd in de software op biologisch-relevante posities en schalen.

Meten Ruimtelijk-en Directionally-variërend lichtverstrooiing van biologisch materiaal

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

Fabricage van plaatsgebonden complexe oxiden

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

Meten Materiaal microstructuur Onder Flow Met behulp van 1-2 Plane Flow-Lage hoek neutronenverstrooiing

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

Neutron Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering gebruiken om organische zonnecelmaterialen te onderzoeken

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

Meting van Verstrooiing lineariteiten van een Single Plasmonische Nanodeeltje

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

Experimentele methoden voor Onderzoek van Shape geheugen gebaseerd Elastocaloric Cooling Processen en 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) gebaseerde methodologie om kwantitatief te evalueren voorwaartse en achterwaartse lichtverspreiding van intraculaire objectieven

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 Continuous-wave gestimuleerd Brillouin verstrooiing Spectrometer voor materiaal 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

Bepaling van de excitatie en koppeling tussen licht vervuilers en oppervlakte 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

Synchrotron X-ray Microdiffraction en fluorescentie beeldvorming van minerale en Rock monsters

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

Meting van de dynamische kracht gehandeld op Water Strider been omhoog springen door de 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, ...