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 forskningen ble finansiert av National Science Foundation (NSF KARRIERE award CCF-0347303 og NSF stipend CCF-0541105). Forfatterne ønsker å takke Jaroslav Krivanek, Jon Moon, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, og John Hermanson for sine intellektuelle bidrag. The Cornell Sfærisk Gantry ble bygget fra et design på grunn av Duane Fulko, 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 erklært.

Selv om ytelsen og funksjon av mange pigmentary og strukturelle colorations er godt anerkjent, er morfologi av mange integuments så komplekse at deres strukturelle detaljer og funksjon er dårlig forstått 20. Integuments har utviklet fordypninger som varierer romlig over overflaten av organismen til differensielt reflektere lys retningsborede mot betrakteren. Directionality har fått oppmerksomhet først og fremst i studiet av Irisering grunn av sin farge skift med skifte av hendelsen og betraktningsvinkel, og forskning på Irisering av biologisk integument har fått primært 1D og noen 2D-målinger 8,12,17. Men generaliserte 6D målinger ikke vært rutine i studiet av integuments 21-23, iriserende eller på annen måte, og litteraturen om organismebiologi farge fenotyper er begrenset av mangel på retningsbestemte farge data av typen vår metode gir. Fjær er en spesielt rich integumentary materiale omfattende arrangementer av milli-skala struktur av haken: rami, distale barbules, og proksimale barbules. Den lille målestokk av elementene og deres komplekse arrangementer gjør det vanskelig å skjelne den lysspredende ytelsen til de enkelte elementene. Vår protokoll lyktes i å isolere milli-skala struktur fra påvirkning av makro-skala geometri. Ved å karakterisere de funksjonelle konsekvensene av retningsbestemt uttrykk for milli-skala strukturer til langt-feltet signatur av fjær, aktiverte vi gransking sine adaptive konsekvenser. Vi hadde praktiske avveininger mellom spektral, romlig og kantete oppløsning. Vi valgte høy romlig, middels kantete og lav spektral for våre studier. Andre kombinasjoner kan brukes, men noen (f.eks alle høy) føre til unworkably lange måling ganger. Oppmerksomheten må være fokusert der det er viktig for de spesielle fenomenene som studeres. I å velge å ansette en RGB camera med en Bayer filter mosaikk, designet vi vår protokoll for å matche den menneskelige visuelle systemet. RGB-kameraet kan bli erstattet og vår protokoll innrettet til å registrere den relative farge stimulans av enhver organisme, er f.eks følsomhet i UV-spektrum for å måle avian tetra-kromatisk farge 24,25. En spektral avbildning kameraet ville gi den mest generelle løsningen 25. Vi viste vår protokoll med tertial vingefjær siden de er fargerike og lett flatet mot en referanse plate. Dessverre er avdekket åpningen av metallplaten bare en brøkdel av den fjær overflate. Hvis vi kunne samtidig måle 3D-form av fjær overflate mens måle dens refleksjon 25, kunne vi unngå mekanisk flate ut fjær og i stedet måle hele fjær i sin naturlige, unflattened tilstand. Interaktive, spesialiserte, integrerte verktøy for å visualisere data gir substantial nytte for forskere å utforske og tolke store datamengder. Jo større integrasjon og interaktivitet, blir de enklere forbindelser i dataene observert. I vår programvare, kan en bruker interaktivt plotte gjennomsnittlig retningsbestemt spredning som funksjon av overflaten (figur 4). Videreutvikling av vår programvare kunne integrere andre plotte funksjoner (figur 6, 7) for å forlenge den interaktive opplevelsen.

Fargen og mønsteret av en organismes integument spille økologisk og samfunnskritisk funksjon i de fleste dyr taxa. Disse fenotypiske egenskaper ble bestemt ved samvirke av lys med strukturen av integument og som kan utøve optisk spredning som varierer både romlig (over overflaten av den integument) og retningsborede (med endring i lys-og synsretningen). I komplekse biologiske materialer, slik som fjær, er retningen av lysspredning påvirket av orienteringen av gjentatte milli-skala geometri. Disse milli-skala strukturer selv kan bygges med nano-skala strukturer, slik som melanin arrays, som ofte arver milli-skala orientering. Fra nano-til makro-skala, har strukturen i integument utviklet seg funksjonelt til å øke signal evne av organismen. For å bedømme innflytelsen av morfologien av forskjellige skalaer for det totale utseende, for åmåle og analysere fargen på biologiske strukturer trenger fleksibilitet til å isolere retningsbestemt lys spredning på ulike skalaer av forstørrelse. Vi utviklet image-baserte måleverktøy for å studere hvordan utførelsen av en fjær komplekse og varierte milli-skala morfologi (brodd Rami, distale barbules, og proksimale barbules) utvider utvalget av uttrykket mulig fra nano-skala strukturer alene. I ett enkelt bilde som er tatt med kameraet, observerte vi at lyset reflekteres ulikt på forskjellige steder på overflaten av fjær, det vil si lysrefleksjon var romlig-varierende. Når vi beveget lys og kamera retning med hensyn til den fjær, observerte vi reflektansen forandret, det vil si, lysrefleksjon ble directionally varierende en. Etter disse observasjonene, har vi designet en protokoll for å metodisk flytte lyset og kameraet rundt motivet med en sfærisk 2,3 gantry, som vi fanget to dimensjoner av surface posisjon (X og Y), 2 lysdimensjonene retning (breddegrad og lengdegrad), og to dimensjoner av kameraets retning (breddegrad og lengdegrad) (figur 2). I programvare visuelt vi utforsket 6 dimensjonene av det spredte lys som en funksjon av posisjon, retning og belysning synsretning. Tidligere forskning inn i refleksjon fra integuments har altfor ofte diskontert bidrag av retningen - f.eks diffuse vs Blank eller isotropic vs anisotropt refleksjon - for å farge uttrykk. De fleste måling av farge har løst det innfallende lyset, objekt, og visning geometri å nøye unngå retningsbestemte effekter. For eksempel, for å eliminere spredte refleksjoner fra måling av farge, er det vanlig å plassere lyset normal til overflaten og ta opp reflektansen ved 45 ° fra normalen. Studier som gjør koblingen morfologi til directionally varierende refleksjon typisk fokusere på nano-skalaog dets iriserende konsekvenser 4-8. Noen vurdere bidraget av mikro-, milli-og makro-skala geometri til langt-feltet optisk signatur 8-11. Det er derfor vanlig å ansette en lysdetektor å aggregere refleksjon over et enkelt område av interesse som kan omfatte flere milli-og / eller makro-skala komponenter, for eksempel brodd Rami, barbules, og til og med hele fjær 6,8,11-17 . Når regionen av interesse er enten mindre enn den oppløsningsgrensen for detektoren eller ikke i overensstemmelse med formen av detektorens synsfelt, angir den felles protokoll prøven disseksjon til isolere lysspredning fra den spesifikke milli-skala element 8,10 , 13,15. Vi har utviklet en mer omfattende protokoll for måling oppkjøp og visualisering som oppmuntrer utforskning av de mange variablene ofte ignorert i andre mer fokuserte studier. Vi måler lysspredning over en sfære av retninger og acrosSA del av verdensrommet ved hjelp av et massivt sett av høy dynamisk område, høyoppløselige bilder tatt fra en systematisk sett av lys og visning retninger. Vi benytter en høyoppløselig bildesensor med sin 2D rekke finskala pixel detektorer. Aggregering hardware skjer på pixel-nivå, i målestokk mindre enn de milli-skala elementer vi måler. En andre fase aggregater individuelle piksler i programvare som brukeren velger formen og størrelsen på regionen av interesse. Følgelig kan en enkelt måling sett gjentatte ganger analyseres i programvaren for å utforske ulike aspekter av lys interaksjon med materiale på flere biologisk relevante stillinger og badevekt. Ved å eliminere disseksjon og måle hele fjær, har vår protokoll fordelen av å forlate morfologi av fjær vane intakt, beholder naturlig kontekst og funksjon som er, lysets samspill mellom konstituerende milli-skala elementer. Lysspredning fra organismal structure er flerdimensjonale og vanskelig å kvantifisere. Målt 6D lysspredning kan ennå ikke tilskrives spesifikke morfologi innenfor et hierarki av skalaen med noen entall instrument. Men vi har gjort et viktig skritt i denne jakten. Vi har utviklet et verktøy som omfatter tre komplementære metoder - prøvetaking refleksjon ved hjelp av gantry, utforske store datamengder i programvare, og visualisere data undergrupper grafisk - å utvide vår evne til å måle 6D lysspredning på ethvert punkt på et materiale, ned til milli-skala. Som protokoller som vårt er ansatt, spår vi biologer vil identifisere et mylder av directionally og romlig-varierende egenskaper og tilsvarende strukturelle tilpasninger på flere skalaer for utvikling. Med våre verktøy vi er engasjert i karakteriserer signaliserer potensialet i retningsbestemt og romlige uttrykk for milli-skala strukturer, og håper å belyse deres adaptive konsekvenser. Vi tar en rekke spørsmål, for eksempel: fra eny gitt observasjon punkt, som finskala elementer eller grov skala regioner av fjær reflektere sterkt? Hvordan retningen på finskala elementer påvirke retningen av spredt lys? Hva morfologiske forhold produsere en satiny glans vs en paljett gnisten av iriserende ornament? Er det noen arter produserer bredere &quot;vinduer&quot; for observasjon av Irisering enn andre? Disse spørsmålene kan bli bedt om fugler og deres fjær, men også om andre organismer som har utviklet seg en bestemt overflate utseende for signalering, kamuflasje, eller andre grunner.

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

Lett samhandler med en organismes integument på en rekke romlige skalaer. For eksempel i en iriserende fugl: nano-skala strukturer produsere farge, den milli-skala struktur av mothaker og barbules i stor grad bestemmer retningsbestemt mønster av reflektert lys, og gjennom makro-skala romlige strukturen av overlappende, buede fjær, disse retningsbestemte effekter skaper den visuelle tekstur. Milli-skala og makro-skala effekter bestemme hvor på organismens kroppen, og fra hva synspunkter og under hvilke belysning, er iriserende farger sett. Dermed er høyst retningsbestemt flash av strålende iriserende farge fra halsen på en hummingbird utilstrekkelig forklares ved dens nano-skala struktur alene og spørsmål gjenstår. Fra et gitt observasjonspunkt, som milli-skala elementer av fjær er orientert for å reflektere sterkt? Er det noen arter produserer bredere &quot;vinduer&quot; for observasjon av Irisering enn andre? Disse og lignende spørsmål may bli spurt om eventuelle organismer som har utviklet seg en bestemt overflate utseende for signalering, kamuflasje, eller andre grunner. For å studere de retningsbestemte mønstre av lysspredning fra fjær, og deres forhold til fuglens milli-skala morfologi, har vi utviklet en protokoll for å måle lys som spres fra biologisk materiale ved hjelp av mange høyoppløselige fotografier tatt med varierende belysning og visning retninger. Siden vi måler spredt lys som funksjon av retning, kan vi observere de karakteristiske trekk i retningsbestemt distribusjon av lys som spres fra den aktuelle fjær, og fordi mothaker og barbules er løst i bildene våre, kan vi tydelig attributt retningsknappene funksjonene til disse forskjellige milli-skala strukturer. Holde prøven intakt bevarer brutto-skala spredning atferd sett i naturen. Metoden som beskrives her viser en generalisert protokoll for å analysere romlig-og directionally vabekymringsfullt lysspredning fra komplekse biologiske materialet på flere strukturelle skalaer.

Den primære måling av protokollen vårt (Rutinemessig I i figur 1) som er festet til kameraet retningen normalt på overflaten og bare beveget lyset. Siden lysspredning følger prinsippet om gjensidighet, er resultatet det samme enten vi holder kameraet konstant mens du flytter lys over halvkule eller vice versa. Når vi fikse enten kameraet eller lyset, blir hele fire-dimensjonale retning sett undersampled. Et fullstendig bilde av spredende oppførsel blir observert når, i motsetning til den primære måling, er både lys og kamera beveget bort fra overflaten normalt og i et mangfold av retninger. Ideelt sett kunne vi måler lysspredning fra mange kamera retninger, så mange som antall innfallende lyset retninger, for å gi en symmetrisk datasett. I praksis vil dette kreve altfor mange eksponeringer. I vår erfaring, kan vi innhente tilstrekkelig informasjon om forskjellige visning posisjoner ved å flytte kameraet noen ganger Assuming 180 ° roterende symmetrien om overflaten normalt. Under den videregående måling fase, kjøpte vi målinger fra 7 ser retninger fordelt over halvkule og innenfor 60 ° av zenith 18,19 (Rutinemessig II.a i figur 1). I tallene for denne artikkelen viser vi representative data målt fra en fjær av Lamprotornis purpureus (Purple Glossy Starling), den refleksjon som er iriserende, glossy, og anisotropt (figur 5). I hver av de syv visning retninger, er reflektert lys samlet fra hundrevis av hendelsen belysning retninger på halvkule. Retningene danne et smalt bånd ortogonalt orientert mot den sentrale aksen av den fjær (se fjær bildet i figur 4). Den Irisering fargen skiftet er subtile (blå-grønn på normal forekomst og grønn-blå på beite insidens) når fjær er sett normal til overflaten som vist i {0 °, 0 &amp; deg;} RGB plottet i figur 5.. Som visningsvinkel tilnærminger beite, er vinklene mellom synsretning og beite hendelsen retninger maksimeres, noe som fører til en mer slående farger shift (blågrønne ved 0 ° og magenta på 240 ° mellom hendelsen og ser retninger) som vist i {60 °, 0 °} RGB plottet i figur 5.. Vi har råd til å gå lys og kamera på mye finere vinkeloppløsning når vi begrenser bevegelsene til en dimensjon. Figur 6 viser chromaticity av refleksjon av L. purpureus drakt som en funksjon av vinkelen mellom hendelsen og visning retninger, hvor hendelsen og visning retninger er i det planet som inneholder den speilende-båndet, som er vinkelrett på den langsgående aksen av den distale barbule. Som iriserende farge buer gjennom chromaticity plass, skifter hue fra blå-grønn til fiolett. Spatial vari<html> asjon i retningsbestemt refleksjon er synlig hvor forskjellig (X, Y) koordinatene til integument korresponderer til forskjellige milli-skala strukturer. I tilfelle av L. purpureus bare én struktur - den distale barbule - er synlig over det meste av området. I motsetning i C. cupreus, tre milli-skala strukturer - rami, distal og proksimal barbules, barbules - er klart atskilt i dataene, kan vi observere at reflektansen fra den fjær er orientert i forhold til lengdeaksen til 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. Dette skjematisk oversikt skildrer to monteringsmuligheter metoder, sfærisk gantry koordinatsystem, typer oppkjøp prøvetaking og deres respektive resultater.<html> / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Klikk her for å se større figur. <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig2.jpg" /> Figur 2. Den flate fjær er synlig gjennom en åpning i en metallplate omgitt av en ring av mål. Et sfærisk gantry kan stilles for å måle lys spredning fra en fjær på flere hendelsen belysning og ser retninger. L = Lett arm (breddegrad). C = Kamera arm (breddegrad). B = Kamera Base (breddegrad). T = Turntable (breddegrad). F = Feather. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig3.jpg" /> Figur 3. Gjennomsnittlig retningsbestemt spredning kan beregnes fra et punkt, linje eller rektangulært område av fjær vane. p_upload/50254/50254fig4highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg &quot;/&gt; Figur 4. Eksempel på retningsbestemt spredning plotte funksjoner (R * = Reflektans, T * = Transmittance, P * = Top, F * = Front, S * = Side, A * = Vilkårlig) og fargevalg (* 1 = Luminance, * 2 = RGB , * 3 = Farge). <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig4large.jpg" target="_blank">Klikk her for å 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. Luminans (øverst) og RGB-farge (nederst) av halvkuleformet refleksjon i retning cosinus plass sett fra de (høyde vinkel, asimutvinkelen) koordinatpar: {0 °, 0 °} {30 °, 0 °} { 30 °, 90 °} {60 °, 0 °} {60 °, 45 °} {60 °, 90 °} og {60 °, 135 °}. Den refleksjon er<html> gjennomsnitt fra en 25 × 25 pixel rektangulært område av lateral vingen på en tertial L. purpureus (Purple Glossy Starling) fjær. De røde pilene representerer kamera retninger. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig5large.jpg" target="_blank">Klikk her for å 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. Fargen for den refleksjon som en funksjon av den halve vinkelen mellom hendelsen belysning og ser retninger:. CIE 1976 Uniform fargetone Vekter (USC) med forstørret regionen <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig6large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se større figur</a> . / 50254/50254fig7highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg &quot;/&gt; Figur 7. Reflektans som en funksjon av vinkelen mellom hendelsen belysning og visning retninger, i planet med (rød) og vinkelrett på (skyggelagt) den langsgående aksen til den distale barbule: (A) dominant bølgelengde, (B) Prosent kroma, (C ) Prosent luminans. Fargen skyggelegging i plottet A er RGB fargen på refleksjon. Negative bølgelengde verdiene representerer fargene i den ikke-spektrale lilla trekant. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig7large.jpg" target="_blank">Klikk her for å 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. Gjennomsnittlig retningsbestemt refleksjon av distale barbules og proksimale barbules mellom to tilstøtende Rami av den C. cupreus (Afhockey 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-utbedret bilde opplyst av gantry lampe, (B) Ikke-utbedret bilde opplyst av blitsen på kameraet, (C) Filtrert målet kandidater på affine-transformert, flash-belyste bilde, (D) Acceptably skarpe mål innenfor dybde på feltet (E) snittlig lampe-opplyste image, (F) rotert fjær spissen opp, beskjæres og maskert. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig9large.jpg" target="_blank">Klikk her for å 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 presenterer en ikke-destruktiv fremgangsmåte for prøvetaking av romlig variasjon i retning av lys som spres fra strukturelt komplekse materialer. Ved å holde materialet intakt, bevare vi brutto-skala spredning atferd, mens samtidig fange finskala retningsbestemt bidrag med høy oppløsning bildebehandling. Resultatene er visualisert i programvare på biologisk relevante stillinger og badevekt.

Måling Romlig-og directionally 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

Fabrikasjon av Romlig Trange kompleks oksid

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 Material Microstructure Under Flow Bruke 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Spredning

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

Bruke nøytronspinke ekko løst beiteforekomst spredning for å undersøke 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 av Spredning Nonlinearities fra en enkelt Plasmonic Nanopartikkel

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 for undersøkelse av Shape Memory Basert Elastocaloric Kjøle Prosesser og Modell 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) basert metode for å kvantitativt vurdere fremover og bakover lys spredning fra intraokulære objektiver

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

Høyhastighets Continuous-wave stimulert Brillouin spredning Spectrometer 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

Fastsettelse av magnetisering og kopling priser mellom lys emittere og overflate 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 og fluorescens avbildning av Mineral 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 av dynamisk kraft handlet på vann Strider Ben hoppe oppover PVDF Film sensoren

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, ...