Name: measuring spatially- and directionally-varying light scattering from biological material
Uploaded: 2013-05-20T12:00:00
Duration: 11 min 57 s
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Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (NSF CAREER Award CCF-0347303 und NSF CCF-0541105) gefördert. Die Autoren bedanken sich bei Jaroslav Křivánek, Jon Mond, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, und John Hermanson für ihre intellektuellen Beiträge danken. Die Cornell Sphärische Gantry wurde von einem Design durch Duane Fulk, Marc Levoy und Szymon Rusinkiewicz gebaut.

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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Obwohl die Leistung und Funktion von vielen Pigmentstörungen und strukturelle Färbungen gut erkannt werden, ist die Morphologie von vielen Integumente so komplex, dass ihre strukturelle Detail und Funktion schlecht verstanden werden 20. Integumente haben Spezialisierungen, die räumlich variieren über die Oberfläche des Organismus unterschiedlich reflektieren das Licht gerichtet in Richtung des Betrachters entwickelt. Richtwirkung hat sich die Aufmerksamkeit in erster Linie in der Studie von Schillern aufgrund seiner Farbverschiebung mit Wechsel der Vorfall und Blickwinkel, und die Erforschung der biologischen Schillern integument erhalten hat sammelte hauptsächlich 1D-und 2D-Messungen einige 8,12,17. Aber generalisierte 6D Messungen wurden nicht Routine in der Studie von Integumente 21-23, irisierende oder anderweitig, und die Literatur über organismal Farbe Phänotypen wird durch das Fehlen von gerichteten Farbdaten der Art unserer Methode bietet eingeschränkt. Die Feder ist ein besonders rich integumentary umfassend Anordnungen von Milli-Skala Struktur der Widerhaken: rami, distalen barbules und proximalen barbules. Die geringe Größe der Elemente und ihrer komplexen Anordnungen ist es schwierig, die Lichtstreuung Leistung der einzelnen Elemente zu erkennen. Unser Protokoll erfolgreich Milli-Skala Struktur von dem Einfluss der Makro-Skala Geometrie isoliert. Mit der Charakterisierung der funktionellen Konsequenzen der gerichteten Expression von milli-Skala Strukturen Fernfeld Signatur der Feder, dadurch wir Untersuchung ihre adaptive Folgen. Wir standen praktische Kompromisse zwischen spektralen, räumlichen und Winkelauflösung. Wir entschieden uns für eine hohe räumliche, medium eckig und geringe spektrale für unsere Studien. Andere Kombinationen können verwendet werden, aber einige (zB alle hoch) führen zu unworkably lange Messzeiten. Zu beachten ist konzentriert, in denen es wichtig für die besonderen Phänomene untersucht werden ist. Bei der Wahl, um eine RGB ca. beschäftigenmera mit einem Bayer-Filter Mosaik, entwarfen wir unser Protokoll, das menschliche visuelle System entsprechen. Die RGB-Kamera ersetzt werden konnte und unser Protokoll angepasst, um die relative Farbreiz eines jeden Organismus zu messen, wird z. B. Empfindlichkeit im UV-Spektrum benötigt, um Vogelgrippe Tetra-chromatische Farbe 24,25 messen. Ein Spectral Imaging Kamera würde die meisten allgemeine Lösung 25. Wir zeigten unser Protokoll mit Tertial Schwungfedern da sie bunt und leicht gegen eine Referenz Platte abgeflacht sind. Leider ergab die Öffnung der Metallplatte nur einen Bruchteil der Feder Oberfläche. Wenn wir gleichzeitig messen konnte die 3D-Form der Feder Oberfläche während der Messung seiner Reflexion 25, konnten wir mechanisch vermeiden Abflachung der Feder und stattdessen messen die gesamte Feder in seiner natürlichen, nicht abgeflachten Zustand. Interactive, spezialisierte, integrierte Werkzeuge für die Visualisierung von Daten bieten haben ausal Wissenschaftler erforschen und Interpretation großer Datenmengen profitieren. Je größer die Integration und Interaktivität sind die Verbindungen leichter in den Daten beobachtet. In unserer Software kann ein Benutzer interaktiv darzustellen Average Directional Streuung als eine Funktion der Oberfläche Position (Abbildung 4). Weiterentwicklung unserer Software integrieren könnte anderen Plot-Funktionen (6, 7), um die interaktive Erfahrung zu erweitern.

Die Farbe und das Muster eines Organismus spielen integument ökologisch und sozial wichtige Funktionen in den meisten Tiergruppen. Diese phänotypischen Eigenschaften werden durch die Wechselwirkung von Licht mit der Struktur der Deckhaut, die optische Streuung, die räumlich (über die Oberfläche des Integument) und gerichtet (mit Veränderungen in der Beleuchtung und Blickrichtung) variiert aufweisen bestimmt. In komplexen biologischen Materialien, wie z. B. Federn, wird die Richtung der Lichtstreuung durch die Orientierung des sich wiederholenden milli-Skala Geometrie beeinflusst. Diese Milli-Skala Strukturen selbst kann mit Nano-Strukturen, wie Melanin-Arrays, die oft erben die Milli-Skala Orientierung eingebettet werden. Von Nano-bis Makro-Skalen, hat sich die Struktur des Integuments funktional, um die Signalisierung Fähigkeit des Organismus zu erhöhen entwickelt. Um den Einfluss der Morphologie von verschiedenen Skalen auf dem Gesamtbild zu beurteilen, Werkzeugemessen und analysieren die Farbe von biologischen Strukturen brauchen Flexibilität, um gerichtete Lichtstreuung in verschiedenen Maßstäben der Vergrößerung zu isolieren. Wir entwickelten Image-basierte Mess-Tools, um zu studieren, wie die Leistung von einer Feder ist komplex und vielfältig Milli-Skala Morphologie (rami Widerhaken, distalen barbules und proximalen barbules) die Bandbreite der möglichen Ausdruck von nanoskaligen Strukturen allein erweitert. In einem einzigen Bild mit der Kamera aufgenommen, wir beobachtet, dass das Licht anders reflektiert an verschiedenen Stellen auf der Oberfläche der Feder, das heißt, Lichtreflexion war räumlich variierenden. Wenn wir das Licht und die Kamera bewegt in Bezug auf die Feder, beobachteten wir das Reflexionsvermögen verändert, das heißt, Lichtreflexion wurde gerichtet variierenden 1. Nach diesen Beobachtungen haben wir ein Protokoll, um methodisch bewegen das Licht und die Kamera um das Objekt mit einem sphärischen Gantry 2,3, mit dem wir erobert 2 Dimensionen surface Position (X und Y), 2 Dimensionen des Lichts Richtung (Breitengrad und Längengrad) und 2 Dimensionen der Kamera Richtung (Breitengrad und Längengrad) (Abbildung 2). In Software, die wir visuell erkundet die 6 Dimensionen des gestreuten Lichts in Abhängigkeit von Position, Richtung und Beleuchtung Blickrichtung. Frühere Untersuchungen in den Reflexionsgrad von Integumente hat zu oft den Beitrag der Richtwirkung abgezinst - zB diffuse vs spiegelnd oder isotropen vs anisotrope Reflexion - die Farbe Ausdruck. Die meisten Farben-Messungen haben das einfallende Licht, Objekt und Blickgeometrie fixiert sorgfältig vermeiden direktionale Effekte. Zum Beispiel, um Spiegelreflexion von Farbmessungen zu beseitigen, ist es üblich, das Licht senkrecht zur Oberfläche zu platzieren und Aufzeichnung der Reflexion um 45 ° von der Normalen. Studien, die Morphologie Link tun, um gerichtet variierenden Reflexionsgrad der Regel auf der Nano-Skala konzentrierenund seine schillernden Folgen 4-8. Wenige betrachten den Beitrag der Mikro-, Milli-und Makro-Skala Geometrien Fernfeld optische Signatur 8-11. Es ist daher üblich, eine Licht-Detektor zu aggregieren Reflexion beschäftigen über einen einzigen Bereich von Interesse, die mehrere Milli-und / oder Makroebene Komponenten wie Widerhaken rami, barbules und sogar ganze Federn 6,8,11-17 umfassen kann . Wenn der Bereich von Interesse entweder kleiner als die Auflösungsgrenze des Detektors oder nicht an die Form des Detektors Sichtfeld konform ist, gibt die gemeinsame Protokoll Probe Dissektion der Lichtstreuung von der spezifischen Millisekunden Skalenelement 8,10 isolieren , 13,15. Wir haben eine umfassende Protokoll zur Messwerterfassung und Visualisierung, die Erkundung der vielen Variablen oft in anderen stärker fokussierten Studien ignoriert fördert entwickelt. Wir messen Lichtstreuung über eine Kugel von Richtungen und acrossa Region des Weltraums mit einem massiven Reihe von High-Dynamic Range, Fotos in hoher Auflösung von einer systematischen Reihe von Licht und Blickrichtungen gemacht. Wir beschäftigen einen hochauflösenden Bildsensor mit seiner 2D-Array von feinskaligen Pixeldetektoren. Aggregation in Hardware erfolgt auf Pixel-Ebene, um eine Größenordnung kleiner als die Milli-Skala Elemente, die wir messen. Eine zweite Stufe Aggregate einzelnen Pixel in Software als der Benutzer die Form und Größe des Bereichs von Interesse. Dementsprechend kann eine einzelne Messung Satz wiederholt in Software ausgewertet werden, um verschiedene Aspekte des Lichts Wechselwirkung mit dem Material an verschiedenen biologisch relevanten Positionen und Skalen zu erkunden. Durch den Wegfall der Präparation und Messung der gesamten Feder, hat unser Protokoll den Vorteil, dass die Morphologie der Feder Flügel intakt, Beibehaltung natürlichen Kontext und Funktion, ist das Licht der Wechselwirkungen zwischen konstituierenden Milli-Skala Elemente. Lichtstreuung von organismal structure ist mehrdimensional und schwer zu quantifizieren. Gemessen 6D Lichtstreuung kann noch nicht auf bestimmte Morphologie innerhalb einer Hierarchie der Skala werden mit einem einzigartigen Instrument zurückzuführen. Aber wir haben einen wichtigen Schritt in diese Verfolgung gemacht. Probenahme Reflexion mit der Gantry, die Erkundung großer Datenmengen in Software und Visualisierung von Daten Teilmengen grafisch - - Wir haben ein Tool umfasst drei komplementäre Methoden entwickelt, um unsere Fähigkeit, 6D Lichtstreuung an jedem Punkt eines Materials zu messen verlängern, bis die Milli-Skala. Als Protokolle wie uns beschäftigt sind, rechnen wir Biologen eine Vielzahl von direktional und räumlich variierenden Eigenschaften und entsprechenden strukturellen Anpassungen an mehreren Skalen der Entwicklung zu identifizieren. Mit unseren Tools sind wir in die Charakterisierung der Signalisierung Potential der Richtungs-und räumliche Expression von Milli-Skala Strukturen beschäftigt, und hoffen, dass Licht auf ihre adaptive Konsequenzen zu vergießen. Wir wenden uns an eine Reihe von Fragen, wie zB: von einemy gegebenen Beobachtungspunkt, was in Ordnung angelegte Elemente oder grober Maßstab Regionen der Feder reflektieren stark? Wie wirkt sich die Orientierung der feinskaligen Elemente Einfluss auf die Richtung des gestreuten Lichts? Was morphologischen Bedingungen produzieren Eine samtweiche Glanz im Vergleich zu einem mit Pailletten funkeln des schillernden Ornament? Haben einige Arten produzieren breiteren &quot;Fenster&quot; für die Beobachtung von Schillern als andere? Diese Fragen können über Vögel und ihre Federn, sondern auch über alle anderen Organismen, die ein bestimmtes Aussehen der Oberfläche für die Signalisierung, Tarnung, oder aus anderen Gründen entstanden sind gefragt.

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

Licht interagiert mit eines Organismus integument auf einer Vielzahl von räumlichen Skalen. Zum Beispiel in einem schillernden Vogel: Nano-Strukturen zu erzeugen Farbe, die Milli-Skala Struktur von Widerhaken und barbules bestimmt weitgehend die Richtcharakteristik des reflektierten Lichts, und durch die Makro-Skala räumliche Struktur von überlappenden, gebogene Federn, schaffen diese direktionale Effekte die visuelle Textur. Milli-Skala und Makro-Skala Auswirkungen bestimmen, wo auf den Organismus des Körpers, und von dem, was und unter welchen Gesichtspunkten Beleuchtung, die schillernden Farben zu sehen sind. Somit wird der stark gerichteten Blitz leuchtenden Farben von der schillernden Kehle eines Kolibris unzureichend durch seine Nano-Struktur allein und erläutert Fragen bleiben. Von einem bestimmten Beobachtungspunkt, sind die Milli-Skala Elemente der Feder orientiert sich an stark reflektieren? Haben einige Arten produzieren breiteren &quot;Fenster&quot; für die Beobachtung von Schillern als andere? Diese und ähnliche Fragen may über alle Organismen, die ein bestimmtes Aussehen der Oberfläche für die Signalisierung, Tarnung, oder aus anderen Gründen entstanden sind gefragt. Um die Richtcharakteristik der Lichtstreuung von Federn zu studieren, und ihre Beziehung zu den Vogel Milli-Skala Morphologie, entwickelten wir ein Protokoll zur Messung von Licht aus biologischen Materialien mit vielen Fotos in hoher Auflösung mit unterschiedlichen Beleuchtungs-und Blickrichtungen genommen verstreut. Da wir Streulicht gemessen als Funktion der Richtung, können wir die charakteristischen Merkmale in der gerichteten Lichtverteilung aus, dass insbesondere Feder verstreut zu beobachten, und weil Widerhaken und barbules sind in unserer Bilder gelöst, können wir klar führen die Richtungs-Funktionen, um diese unterschiedlichen Milli-Skala Strukturen. Halten Sie die Probe intakt bewahrt die Brutto-Skala Streuverhalten in der Natur gesehen. Das hier beschriebene Verfahren stellt eine verallgemeinerte Protokoll zur Analyse von räumlich und direktional-varying Lichtstreuung aus komplexen biologischen Materialien an mehreren strukturellen Skalen.

Die primäre Messung unseres Protokolls (Routine I in Abbildung 1) fixiert die Kamera Richtung senkrecht zur Oberfläche und nur das Licht bewegt. Seit Lichtstreuung folgt dem Grundsatz der Gegenseitigkeit, das Ergebnis ist das gleiche, ob wir die Kamera konstant zu halten, während sie sich das Licht über die Hemisphäre oder umgekehrt. Wenn wir entweder die Kamera oder das Licht zu beheben, wird die komplette 4-dimensional Satz unterabgetastete. Ein vollständiges Bild des Streuverhalten wird beobachtet, wenn, anders als die primäre Messung Licht und Kamera weg von der Oberfläche normaler und in eine Vielzahl von Richtungen bewegt werden. Im Idealfall könnten wir Lichtstreuung von vielen Kamera Richtungen messen, so viele wie die Anzahl der einfallenden Lichtes Richtungen, um eine symmetrische Daten-Set zu erhalten. In der Praxis würde dies viel zu viele Risiken. Nach unserer Erfahrung können wir ausreichende Informationen über die verschiedenen Blickrichtungen, indem Sie die Kamera ein paar Mal assu erhaltenMing 180 °-Rotationssymmetrie um die Flächennormale. Während der sekundären Messphase haben wir Messungen von 7 Blickrichtungen über die Hemisphäre und innerhalb von 60 ° der Zenit 18,19 (Routine II.A in Abbildung 1) verteilt. In den Figuren dieser Arbeit zeigen wir, repräsentative Daten aus einer Feder Lamprotornis purpureus (Lila Glossy Starling), das Reflexionsvermögen von denen schillernd, glänzend, und anisotrope ist (Abbildung 5) gemessen. In jeder der 7 Blickrichtungen, ist reflektiertes Licht von Hunderten von einfallendem Licht Richtungen auf der Halbkugel versammelt. Die Richtungen bilden ein schmales Band orthogonal ausgerichtet zu der Mittelachse der Feder (siehe Bild Feder in Abbildung 4). Das Schillern Farbverschiebung ist subtil (bläulich-grün bei senkrechtem Einfall und grünlich-blau unter streifendem Einfall), wenn die Feder betrachtet senkrecht zu ihrer Oberfläche, wie in der {0 °, 0 &amp; de geseheng;} RGB Grundstück von 5. Als Betrachtungswinkel Ansätze Beweidung werden die Winkel zwischen der Blickrichtung und die Beweidung Vorfall Richtungen maximiert, was zu einer markanten Farbverschiebung (bläulich-grün bei 0 ° und 240 ° bei Magenta zwischen Vorfall und Blickrichtungen), wie in der zu sehen {60 °, 0 °} RGB Grundstück in Abbildung 5. Wir können es sich leisten, das Licht und die Kamera auf viel feinere Winkelauflösung Schritt, wenn wir die Bewegungen 1 Dimension beschränken. Abbildung 6 zeigt die Farbigkeit der Reflexionsgrad von L. purpureus Gefieder in Abhängigkeit von dem Winkel zwischen dem einfallenden und Blickrichtungen, wobei die einfallenden und Blickrichtungen in der Ebene, die die spiegelnde Band, die senkrecht zur Längsachse des distalen barbule. Da die schillernden Farben Bögen durch Farbwert-Raum verschiebt sich die Farbe von blau-grün bis violett. Räumliche Variablen<html> ation in der gerichteten Reflexion sichtbar ist, wo verschiedene (X, Y)-Koordinaten der Integument entsprechen unterschiedlichen milli angelegte Strukturen. Im Falle von L. purpureus nur eine Struktur - das distale barbule - sichtbar über den größten Teil der Region. Im Gegensatz dazu C. cupreus, drei Milli-Skala Strukturen - die rami, distalen barbules und proximalen barbules - sind deutlich in den Daten unterschieden, und wir können diese Reflexion aus der Feder beobachten orientiert sich in Bezug auf die Längsachse jeder Struktur (Abbildung 8) . <img alt="Abbildung 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1.jpg" /> Abbildung 1. Diese schematische Übersicht zeigt zwei Montage Methoden, die sphärische Gantry Koordinatensystem, Arten des Erwerbs Probenahme und ihre jeweiligen Ergebnisse.<html> / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen. <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig2.jpg" /> Abbildung 2. Der abgeflachte Feder sichtbar ist durch eine Öffnung in einer Metallplatte durch einen Ring von Zielen umgeben. Eine sphärische Gantry gestellt zu Lichtstreuung von einer Feder an mehreren einfallenden Licht und Blickrichtungen zu messen. L = Leicht Arm (Breitengrad). C = Kamera Arm (Breitengrad). B = Kamera Basis (Längengrad). T = Turntable (Längengrad). F = Feather. <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig3.jpg" /> Abbildung 3. Average Directional Streuung kann von einem Punkt, Linie oder rechteckigen Bereich Feder Flügel berechnet werden. p_upload/50254/50254fig4highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg &quot;/&gt; Abbildung 4. Beispiel gerichteter Streuung Plot-Funktionen (R * = Reflexion, Transmission T * = P * = Top, F * = Front, S * = Side, A * = beliebig) und Farbschemata (* 1 = Luminance, * 2 = RGB , * 3 = Chromaticity). <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig4large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . <img alt="Abbildung 5" fo:content-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5.jpg" /> Abbildung 5. Die Leuchtdichte (oben) und RGB-Farbe (unten) des halbkugelförmigen Reflexionsgrad in Richtungskosinus Raum als aus den (Elevationswinkel, Azimutwinkel) Koordinatenpaaren angesehen: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °} und {60 °, 135 °}. das Reflexionsvermögen<html> gemittelt aus einem 25 × 25 Pixel rechteckigen Bereich der seitlichen Flügel eines Tertial L. purpureus (Lila Glossy Starling) Feder. Die roten Pfeile stellen Kamera Richtungen. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig5large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . <img alt="Abbildung 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6.jpg" /> Abbildung 6. Chromaticity der Reflexion als eine Funktion des halben Winkel zwischen dem einfallenden Licht und Blickrichtungen:. CIE 1976 Uniform Chromaticity Scales (USC) mit vergrößerten Region <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig6large.jpg" target="_blank">Klicke hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . / 50254/50254fig7highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg &quot;/&gt; Abbildung 7. Reflexion als eine Funktion der Winkel zwischen dem einfallenden Licht und Blickrichtungen, in der Ebene mit (rot) und senkrecht zur (schattiert) der Längsachse des distalen barbule: (A) Dominant-Wellenlänge, (B) Prozent Chroma (C ) Prozent Leuchtkraft. Die Farbschattierungen in Kurve A ist die RGB-Farbe des Reflexionsvermögen. Negative Werte stellen Wellenlänge Farben in den nicht-spektralen lila Dreieck. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig7large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . <img alt="Fig. 8" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8.jpg" /> Abbildung 8. Average Directional Reflexionsgrad von distalen und proximalen barbules barbules zwischen zwei benachbarten rami der C. cupreus (African Smaragdkuckuck). <img alt="Abbildung 9" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9.jpg" /> Abbildung 9. (A) Non-entzerrten Bild von Gantry-Lampe beleuchtet, (B) Non-entzerrten Bild von Blitz auf der Kamera leuchtet, (C) Gefiltert Zielkandidaten auf affine transformierten, Flash-ausgeleuchteten Bild (D) Acceptably scharfen Ziele innerhalb Tiefe Feld (E) Richt-Lampe beleuchteten Bildes, (F) gedreht Feder up, Spitze abgeschnitten und maskiert. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig9large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> .

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

Wir stellen eine zerstörungsfreie Methode zum Abtasten räumliche Variation in der Richtung des Lichts von strukturell komplexen Materialien verteilt. Indem das Material intakt bewahren wir grober Maßstab Streuverhalten, während gleichzeitig die Erfassung feinskaligen direktionale Beiträge mit hochauflösender Bildgebung. Die Ergebnisse sind in der Software visualisiert in biologisch relevanten Positionen und Personenwaagen.

Mess-und Richtungs räumlich variierenden Lichtstreuung aus biologischem Material

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 ...

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