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

Denna forskning har finansierats av National Science Foundation (NSF KARRIÄR utmärkelse CCF-0.347.303 och NSF bevilja CCF-0.541.105). Författarna vill tacka Jaroslav Křivánek, Jon Moon, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, och John Hermanson för deras intellektuella bidrag. Den Cornell Sfärisk Gantry byggdes från en design tack vare Duane Fulk, Marc Levoy och 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>

Inga intressekonflikter deklareras.

Även om prestanda och funktion av många pigmentering och strukturella färgsättningar är välkända, är morfologi många integuments så komplicerade att deras strukturella detaljer och fungerar dåligt är förstås 20. Integuments har utvecklat inriktningar som varierar rumsligt över ytan av organismen att differentiellt reflektera ljus directionally mot betraktaren. Riktningsverkan har fått uppmärksamhet framför allt i studien av irisering grund av dess färgskiftningar med byte av tillbud och betraktningsvinkel, och forskning om irisering av biologisk integument har samlat främst 1D och några 2D mätningar 8,12,17. Men generaliserade 6D mätningar inte varit rutin i studien av integuments 21-23, iriserande eller på annat sätt, och litteraturen om organismal färg fenotyper begränsas av bristen på riktade färgdata av den typ som vår metod ger. Den fjäder är ett speciellt rich integumentary material omfattande arrangemang av milli-skala struktur hullingen: Rami, distala barbules och proximala barbules. Den småskaliga av elementen och deras komplexa arrangemang gör det svårt att urskilja ljusspridning resultatutvecklingen för de enskilda elementen. Vår protokoll isolerade framgångsrikt milli-skala struktur från påverkan av makro-skala geometri. Genom att karakterisera de funktionella konsekvenserna av den riktade uttryck av milli-skala strukturer till långt-området undertecknandet av fjäder, aktiverade vi utredning sina adaptiva följder. Vi möter praktiska avvägningar mellan spektral, spatial och vinkel-upplösning. Vi valde hög rumslig, medelhög vinkel och låg spektral för våra studier. Andra kombinationer kan användas, men vissa (t.ex. alla hög) leder till unworkably långa mättider. Insatserna måste vara inriktade där det är viktigt för de speciella fenomen som studeras. I valet att anställa en RGB caMera med ett Bayer filter mosaik, utformade vi våra protokoll för att matcha den mänskliga visuella systemet. RGB-kamera kunde bytas ut och våra protokoll anpassat för att mäta den relativa färgen stimulans av en organism, är t.ex. känslighet i UV-spektrumet för att mäta aviär tetra-kromatisk färg 24,25. En spektral avbildning kamera skulle ge den mest allmänna lösningen 25. Vi visade våra protokoll med tertialet vingpennor eftersom de är färgglada och lätt tillplattad mot en referens platta. Olyckligtvis avslöjade öppningen av metallplattan endast en bråkdel av fjäder yta. Om vi kunde samtidigt mäta 3D-formen på fjädern ytan samtidigt mäta dess reflektans 25, kunde vi undvika mekaniskt platta fjädern och istället mäter hela fjäder i sin naturliga utplattad, tillstånd. Interaktiva, specialiserade, integrerade verktyg för att visualisera data ger väsental nytta för forskare utforska och tolka stora datamängder. Ju större integration och interaktivitet, är de enklare anslutningar i data observerats. I vår programvara, kan användaren rita interaktivt genomsnittliga riktad spridning som funktion av ytläge (Figur 4). Vidareutveckling av vår programvara kan integrera andra plottning funktioner (fig. 6, 7) att förlänga interaktiv upplevelse.

Färgen och mönstret av en organisms integument spela ekologiskt och samhällskritiska funktioner i de flesta djur taxa. Dessa fenotypiska egenskaper bestäms av kopplingen mellan ljus med strukturen i integument, som kan uppvisa optisk spridning som varierar både rumsligt (över ytan av integument) och directionally (med förändring av belysning och visning riktning). I komplexa biologiska material, såsom fjädrar, är riktningen för ljusspridning påverkas av orienteringen av upprepande milli-skala geometri. Dessa milli-skala strukturer själva kan bäddas med nanoskala strukturer, såsom melanin arrayer, vilket ofta ärver milli-skalan orientering. Från nano-till makro-skalor, har strukturen av integument utvecklats funktionellt att öka signalering förmåga organismen. För att bedöma påverkan av morfologin hos olika skalor på det allmänna utseendet, verktyg för attmäta och analysera färgen av biologiska strukturer behöver flexibilitet för att isolera riktad ljusspridning vid olika skalor av förstoring. Vi utvecklade bildbaserade mätverktyg för att studera hur utförandet av en fjäder komplexa och varierande milli-skala morfologi (hulling rami, distala barbules och proximala barbules) utökar utbudet av uttrycket möjligt från nanonivå strukturer ensam. I en enda bild som registreras av kameran, konstaterade vi att ljuset reflekteras olika vid olika ställen på ytan av fjäder, som är, ljusreflektion var rumsligt varierande. När vi flyttade ljuset och kameran riktning i förhållande till fjädern, observerade vi reflektansen förändrats, det är, ljusreflektion var riktat varierande 1. Efter dessa observationer, utformade vi ett protokoll för att metodiskt flytta ljuset och kameran runt motivet med hjälp av en sfärisk portal 2,3, som vi fångade 2 dimensioner av Surface positionen (X och Y), två dimensioner av ljus riktning (latitud och longitud), och två dimensioner av kamerariktning (latitud och longitud) (Figur 2). I program vi undersökt visuellt de 6 dimensionerna hos det spridda ljuset som en funktion av läget, belysning riktning och utsikt riktning. Tidigare forskning om reflektansen från integuments har alltför ofta diskonteras bidrag riktverkan - t.ex. diffus vs speglande eller isotropt vs anisotropisk reflektion - att färga uttryck. De flesta färgmätningar har fasta infallande ljus, objekt, samt visning geometri att noga undvika riktade effekter. Till exempel, för att eliminera spegelreflektion från färgmätningar, är det vanligt att placera ljuset normalt mot ytan och registrera reflektansen vid 45 ° från det normala. Studier som gör länk morfologi till riktningsmässigt-varierande reflektans fokuserar typiskt på nanonivåoch dess skimrande konsekvenser 4-8. Några anser att bidrag av mikro-, milli-och makronivå geometrier till långt-området optisk signatur 8-11. Det är därför vanligt att använda en ljus detektor att aggregera reflektans över ett enda område av intresse som kan omfatta flera milli-och / eller makronivå komponenter såsom hulling rami, barbules, och även hela fjädrar 6,8,11-17 . När regionen av intresse är antingen mindre än upplösningen gränsen för detektorn eller inte överensstämmer med formen av detektorns synfält, anger vanligt protokoll provet dissektion att isolera ljusspridning från specifika milli-skala elementet 8,10 , 13,15. Vi har utvecklat en mer omfattande protokoll för mätning förvärv och visualisering som uppmuntrar utforskning av de många variabler ofta ignoreras i andra mer fokuserade studier. Vi mäter ljusspridning över en sfär av riktningar och Acrossa region i rymden med hjälp av en massiv uppsättning av hög dynamiskt omfång, högupplösta fotografier tagna från en systematisk uppsättning av ljus och vägbeskrivning visning. Vi använder en högupplöst bildsensor med dess 2D matris med finskaliga pixeldetektorer. Aggregation i hårdvara sker på pixelnivå, på en skala mindre än milli-skala element som vi mäter. En andra fas aggregat enskilda pixlar i mjukvara som användaren väljer formen och storleken på regionen av intresse. Följaktligen kan en enda mätning set upprepade gånger analyseras i programvaran för att undersöka olika aspekter av ljus interaktion med material vid flera biologiskt relevanta positioner och våg. Genom att eliminera dissektion och mäta hela fjäder, har våra protokoll fördelen att lämna morfologi fjäder vane intakt, behålla naturliga sammanhang och funktion som är, ljusets växelverkan mellan ingående milli-skala element. Ljusspridning från organismens sTRUKTUR är flerdimensionell och svår att kvantifiera. Mätt 6D ljusspridning kan inte ännu hänföras till specifik morfologi inom en hierarki av skalan med någon singular instrument. Men vi har gjort ett viktigt steg i denna strävan. Vi har utvecklat ett verktyg som omfattar tre kompletterande metoder - Provtagning reflektans använder portal, utforska stora datamängder i mjukvara, och visualisering av data delmängder grafiskt - att utöka vår förmåga att mäta 6D ljusspridning i någon punkt på ett material, ner till milli-skalan. Som protokoll som vårt är anställda, förutspår vi biologer kommer att identifiera en myriad av riktningsmässigt-och spatialt varierande egenskaper och motsvarande strukturella anpassningar på flera skalor av utveckling. Med våra verktyg är vi engagerade i att karakterisera signalering potentialen för det riktade och rumsliga uttryck av milli-skala strukturer, och hoppas att belysa deras adaptiva konsekvenser. Vi tar upp en rad frågor, till exempel: från etty given observation punkt, vilket finskaliga element eller grov skala regioner fjäder reflekterar starkt? Hur orienteringen av de finskaliga element påverka inriktningen av spritt ljus? Vilka morfologiska förhållanden producera en satiny glans vs en sequined gnistra av skimrande prydnad? Gör vissa arter producerar bredare &quot;fönster&quot; för observation av irisering än andra? Dessa frågor kan ställas om fåglar och deras fjädrar utan också om alla andra organismer som har utvecklats en viss yta utseende för signalering, kamouflage, eller av andra skäl.

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

Ljuset interagerar med en organisms integument på en variation av rumsliga skalor. Till exempel i en regnbågsskimrande fågel: nanoskala strukturer skapar färg, den milli skala strukturen av hullingar och barbules stor del avgör riktningsmönster av reflekterat ljus, och genom den makroskala rumsliga struktur överlappande, böjda fjädrar, dessa riktade effekter skapar den visuella texturen. Milli-skala och makronivå effekter avgöra var på organismens kropp, och från vilka synpunkter och under vilka belysning, de skimrande färgerna sett. Således är det mycket riktad blixt av lysande färger från regnbågsskimrande halsen av en kolibri otillräckligt förklaras av dess nanonivå struktur ensam och frågor återstår. Från en given observation punkt, som milli-skala delar av fjäder är orienterade att reflektera starkt? Gör vissa arter producerar bredare &quot;fönster&quot; för observation av irisering än andra? Dessa och liknande frågor may tillfrågas om eventuella organismer som har utvecklats en viss yta utseende för signalering, kamouflage, eller av andra skäl. För att studera de riktade mönster av ljusspridning från fjädrar, och deras förhållande till fågelns milli-skala morfologi, utvecklade vi ett protokoll för mätning av ljus som sprids från biologiska material med många högupplösta bilder tagna med olika belysning och visning riktningar. Eftersom vi mäter spritt ljus som en funktion av riktning, kan vi observera de karaktäristiska dragen i riktningsområdet fördelningen av ljus som sprids från just fjäder, och eftersom hullingar och barbules löses i vår bilder, kan vi tillskriva tydligt de riktade funktioner för att dessa olika milli skala strukturer. Att hålla provet intakt bevarar den brutto-skalan spridning beteende ses i naturen. Metoden som beskrivs här uppvisar en generaliserad protokoll för analys spatialt och directionally-vabedrivande ljusspridning från komplexa biologiska material vid flera strukturella skalor.

Den primära mätningen av våra protokoll (Routine I i fig. 1) fastställer ett kameran riktning vinkelrätt mot ytan och endast flyttade ljuset. Eftersom Ijussprid följer principen om ömsesidighet, är resultatet detsamma om vi håller kameran konstant medan flyttar ljuset över halvklotet eller vice versa. När vi fixa antingen kameran eller ljuset, är den fullständiga 4-dimensionell riktning set undersampled. En mer fullständig bild av den spridande beteende observeras när, till skillnad från den primära mätningen, är både ljus och kamera förflyttas bort från ytan normalt och i ett flertal riktningar. Helst skulle vi kunna mäta ljusspridning från många kamera riktningar, till och med så många som antalet riktningar infallande ljuset, för att ge en symmetrisk datamängd. I praktiken skulle detta kräva alltför många exponeringar. Enligt vår erfarenhet kan vi få tillräcklig information om olika visningslägen genom att flytta kameran några gånger antagit att verketming 180 ° rotationssymmetri runt ytnormalen. Under den sekundära mätningen fasen, förvärvade vi mätningar från 7 observationsriktningarna fördelade över hemisfären och inom 60 ° från zenit 18,19 (Routine II.A i figur 1). I siffrorna för denna uppsats visar vi representativa uppgifter mätt från en fjäder av Lamprotornis purpureus (Purple Glossy Starling), reflektansen som är skimrande, glänsande, och anisotropisk (Figur 5). I varje av de 7 betraktningsriktningar, reflekteras ljuset in från hundratals riktningar infallande belysning på halvklotet. Riktningarna bildar ett smalt band ortogonalt orienterad till den centrala axeln hos den fjäder (se fjäder bild i fig 4). Den irisering färgskiftning är subtil (blåaktig-grön vid normal infallsvinkel och grön-blå med strykande infall) då fjädern betraktas vinkelrätt mot dess yta som sett i {0 °, 0 &amp; deg;} RGB plot av figur 5. Eftersom betraktningsvinkeln närma bete, är vinklarna mellan betraktelseriktningen och betande riktningarna incidenten maximeras, vilket leder till en mer slående färgskiftning (blågrönt vid 0 ° och magenta vid 240 ° mellan infallande och tittar riktningar) som sett i {60 °, 0 °} RGB plotten i Figur 5. Vi har råd till steg ljuset och kameran mot mycket finare vinkelupplösning när vi begränsa transaktioner till en dimension. Figur 6 visar kromaticitet av reflektansen för L. purpureus fjäderdräkt som funktion av vinkeln mellan den infallande och riktningar visning, där incidenten och riktningar visning är i det plan som innehåller den speglande bandet, som är vinkelrät mot den längsgående axeln hos den distala barbule. Som skimrande färg bågar genom färgart utrymme, skiftar nyans från blågrönt till lila. Spatial Vari<html> ation i riktningsområdet reflektansen är synlig där olika (X, Y)-koordinaterna för integument motsvarar olika milli skala strukturer. I fallet med L. purpureus enda struktur - den bortre barbule - syns över större delen av området. Däremot i C. cupreus, tre millimeter skala strukturer - Rami, distala barbules och proximala barbules - skiljs tydligt i uppgifterna, kan vi konstatera att reflektansen från fjädern är orienterade i förhållande till längdaxel varje 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. Denna schematiska översikt visar två sätt att montera, den sfäriska gantry koordinatsystemet typer av förvärv provtagning och deras respektive resultat.<html> / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Klicka här för att visa en större bild. <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig2.jpg" /> Figur 2. Den tillplattade fjäder är synlig genom en öppning i en metallplatta som omges av en ring av mål. En sfärisk portal kan ställas att mäta ljusspridning från en fjäder vid flera incident belysning och tittar riktningar. L = Lätt arm (latitud). C = Camera arm (latitud). B = Camera Base (longitud). T = Turntable (longitud). F = Fjäder. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig3.jpg" /> Figur 3. Genomsnittlig riktad spridning kan beräknas från en punkt, linje eller rektangulärt område av fjäder vane. p_upload/50254/50254fig4highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg &quot;/&gt; Figur 4. Exempel på riktad spridning plotta funktionerna (R * = Reflektans, T * = transmission, P * = Top, F * = Front, S * = Side, A * = Godtyckliga) och färgscheman (* 1 = Luminans, * 2 = RGB , * 3 = Kromaticitet). <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig4large.jpg" target="_blank">Klicka här för att visa en större bild</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 (överst) och RGB-färg (botten) av den halvrunda reflektansen i riktningscosinus utrymmet sett från (elevationsvinkeln, azimutvinkel) koordinatparen: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °}, och {60 °, 135 °}. Reflektansen är<html> genomsnitt från en 25 × 25 pixel rektangulärt område av den laterala vane en tertialet L. purpureus (Purple Glossy Starling) fjäder. De röda pilarna representerar kamera riktningar. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig5large.jpg" target="_blank">Klicka här för att visa en större bild</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. Kromaticitet av reflektansen som funktion av den halva vinkeln mellan den infallande belysning och tittar riktningar:. CIE 1976 Uniform kromaticiteten Vågar (USC) med förstorad region <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig6large.jpg" target="_blank">Klicka här för att visa en större bild</a> . / 50254/50254fig7highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg &quot;/&gt; Figur 7. Reflektans som en funktion av vinkeln mellan infallande belysning och observationsriktningarna, i planet med (röd) och vinkelrätt mot (skuggad) längdaxel den distala barbule: (A) Dominerande våglängd, (B) Procent chroma, (C ) Procent luminans. färgskuggningen i tomt A är RGB-färg av reflektansen. Negativa våglängdsvärden representerar färgerna i den icke-spektrala lila triangel. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig7large.jpg" target="_blank">Klicka här för att visa en större bild</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. Genomsnittlig riktad reflektans av distala barbules och proximala barbules mellan två intilliggande Rami av C. cupreus (African 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) Icke-renad bilden upplyst av portal lampa, (B) icke-renad bilden upplyst av blixten på kameran, (C) Filtrerad mål kandidaterna på affin-transformerade, flash-belyst bild, (D) Acceptabelt skarpa mål inom djup fält, (E) Renad lamp-belyst bild, (F) roterad fjäder tippa upp, beskäras och maskerade. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig9large.jpg" target="_blank">Klicka här för att visa en större bild</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 presenterar en icke-förstörande metod för provtagning rumslig variation i riktning mot ljuset sprids från strukturellt komplexa material. Genom att hålla materialet intakt, bevarar vi brutto-skala spridning beteende, medan samtidigt fånga finskaliga riktade insatser med hög upplösning. Resultaten visualiseras i mjukvara på biologiskt relevanta positioner och våg.

Mätning rumsligt och Riktnings-varierande ljusspridning från biologiskt 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 ...

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

Tillverkning av Rumsligt Självindragande komplexa 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

Mätning Material Mikro Under Flow Använda 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering

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

Användning av Neutron Spin Echo löste betesincidensspridning för att undersöka organiska solcellsmaterial

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

Mätning av Spridnings olinjäriteter från en enda plasmoniska nanopartiklar

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

Experimentella metoder för undersökning av formminne Baserat Elastocaloric kylprocesser och 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) -baserad metodik för att kvantitativt utvärdera framåt och bakåtljusstrålning från intrakokulära 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

Höghastighets Continuous-wave stimuleras Brillouin spridning spektrometer för materialanalys

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

Bestämning av magnetiseringen och koppling mellan lätta sändare och ytan 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 röntgen Microdiffraction och fluorescens avbildning av Mineral och stenprover

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

Mätning av dynamiska kraft agerat på vatten Strider ben hoppar uppåt av 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, ...