Name: Pomiar przestrzennego i kierunkowego rozpraszania światła od materiału biologicznego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-05-20T12:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 57 s
Description: Poznaj nieinwazyjną metodę pomiaru przestrzennego rozpraszania światła od złożonych materiałów biologicznych. Technika umożliwia wizualizację kierunkowego odbicia przy zachowaniu integralności próbki.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

To badanie zostało sfinansowane przez National Science Foundation (nagroda NSF CAREER CCF-0347303 i grant NSF CCF-0541105). Autorzy pragną podziękować Jaroslavowi Křivánkowi, Jonowi Moonowi, Edgarowi Velázquezowi-Armendárizowi, Wenzelowi Jakobowi, Jamesowi Harveyowi, Susan Suarez, Ellisowi Loewowi i Johnowi Hermansonowi za ich wkład intelektualny. Suwnica sferyczna Cornell została zbudowana według projektu Duane'a Fulka, Marca Levoya i Szymona Rusinkiewicza.

<ol><li>Nicodemus, F., Richmond, J., Hsia, J., Ginsberg, I., Limperis, T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNicodemus%2C+F+%22Geometric+considerations+and+nomenclature+for+reflectance%22">Geometric considerations and nomenclature for reflectance</a>. , National Bureau of Standards, U.S. Department of Commerce. (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/pubmed?term=((Light+scattering+from+human+hair+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22ACM+Transactions+on+Graphics+%28TOG%29%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Measuring+and+modeling+the+appearance+of+finished+wood%5BTitle%5D)+AND+%22ACM+Transactions+on+Graphics+%28TOG%29%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((The+physics+and+biology+of+animal+reflectors%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Biophysics+and+Molecular+Biology%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Colouration%5BTitle%5D)+AND+%22Biology+of+the+Integument%3A+Vertebrates%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Structural+colours+from+the+feathers+of+the+bird+Bostrychia+hagedash%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physics+D-Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">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://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKinoshita%2C+S+%22Structural+colors+in+the+realm+of+nature%22">Structural colors in the realm of nature</a>. , World Scientific. (2008).</li>
<li>Nakamura, E., Yoshioka, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+Color+of+Rock+Dove%27s+Neck+Feather%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Physical+Society+of+Japan%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Predicting+reflectance+functions+from+complex+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22ACM+SIGGRAPH+Computer+Graphics%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Proximate+bases+of+silver+color+in+anhinga+%28Anhinga+anhinga%29+feathers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Morphology%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((What+makes+a+feather+shine%3F+A+nanostructural+basis+for+glossy+black+colours+in+feathers%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Royal+Society+B%3A+Biological+Sciences%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Structure+and+light+reflection+of+green+feathers+of+fruit+doves+%28Ptilinopus+spp.%29+and+an+Imperial+Pigeon+%28Ducula+concinna%29%5BTitle%5D)+AND+%22Biologiske+Skrifter+%28Denmark%29%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Effect+of+macroscopic+structure+in+iridescent+color+of+the+peacock+feathers%5BTitle%5D)+AND+%22Forma%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Spectral+reflectance+and+directional+properties+of+structural+coloration+in+bird+plumage%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Imaging+scatterometry+of+butterfly+wing+scales%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Physical+methods+for+investigating+structural+colours+in+biological+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Royal+Society+Interface%22%5BJournal%5D)">Physical methods for investigating structural colours in biological systems.</a> Journal of Royal Society Interface. 6, Suppl 2. 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/pubmed?term=((Dramatic+colour+changes+in+a+bird+of+paradise+caused+by+uniquely+structured+breast+feather+barbules%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Royal+Society+B%3A+Biological+Sciences%22%5BJournal%5D)">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://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Appearance+of+woven+cloth+%5B%5D%22">Appearance of woven cloth [dissertation]</a>. , Cornell University. (2008).</li>
<li>Irawan, P., Marschner, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Specular+reflection+from+woven+cloth%5BTitle%5D)+AND+%22ACM+Transactions+on+Graphics+%28TOG%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Structural+colour%3A+elusive+iridescence+strategies+brought+to+light%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Biology%3A+CB%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Reflectance+and+texture+of+real-world+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22ACM+Transactions+on+Graphics+%28TOG%29%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Modeling+and+rendering+of+realistic+feathers%5BTitle%5D)+AND+%22ACM+Transactions+on+Graphics+%28TOG%29%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Recording+and+controlling+the+4D+light+field+in+a+microscope+using+microlens+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+microscopy%22%5BJournal%5D)">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., Párraga, C. A., Cuthill, I. C., Partridge, J. C., Troscianko, T. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+digital+photography+to+study+animal+coloration%5BTitle%5D)+AND+%22Biological+Journal+of+the+Linnean+Society%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((3D+imaging+spectroscopy+for+measuring+hyperspectral+patterns+on+solid+objects%5BTitle%5D)+AND+%22ACM+Transactions+on+Graphics+%28TOG%29%22%5BJournal%5D)">3D imaging spectroscopy for measuring hyperspectral patterns on solid objects.</a> ACM Transactions on Graphics (TOG). 31 (4), (2012).</li>
</ol>

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Chociaż wydajność i funkcja wielu barwników pigmentowych i strukturalnych są dobrze poznane, morfologia wielu powłok jest tak złożona, że ich szczegóły strukturalne i funkcja sąsłabo poznane. Powłoki rozwinęły specjalizacje, które zmieniają się przestrzennie na powierzchni organizmu, aby w różny sposób odbijać światło kierunkowo w kierunku widza. Kierunkowość zyskała uwagę przede wszystkim w badaniach nad opalizacją ze względu na jej zmianę koloru wraz ze zmianą padania i kąta widzenia, a badania nad opalizacją powłok biologicznych przyniosły głównie pomiary 1D i niektóre pomiary 2D8,12,17. Jednak uogólnione pomiary 6D nie były rutynowe w badaniu powłok21-23, opalizujących lub innych, a literatura na temat fenotypów kolorów organizmów jest ograniczona przez brak kierunkowych danych kolorystycznych typu dostarczanego przez naszą metodę.
Pióro jest szczególnie bogatym materiałem powłokowym, na który składają się układy o miliskalowej budowie zadzioru: rami, barbule dystalne i barbule proksymalne. Niewielka skala elementów i ich skomplikowane rozmieszczenie sprawiają, że trudno jest dostrzec wydajność rozpraszania światła przez poszczególne elementy. Nasz protokół z powodzeniem wyizolował strukturę w skali mili od wpływu geometrii w skali makro. Charakteryzując funkcjonalne konsekwencje kierunkowej ekspresji struktur w skali mililitrowej do sygnatury dalekiego pola pióra, umożliwiliśmy zbadanie ich adaptacyjnych konsekwencji.
Stanęliśmy przed praktycznym kompromisem między rozdzielczością spektralną, przestrzenną i kątową. Do naszych badań wybraliśmy wysokie przestrzenne, średnio kątowe i niskospektralne. Można zastosować inne kombinacje, ale niektóre (np. wszystkie wysokie) prowadzą do niewykonalnie długich czasów pomiaru. Uwaga musi być skupiona tam, gdzie jest to ważne dla poszczególnych badanych zjawisk. Decydując się na zastosowanie kamery RGB z mozaiką filtrów Bayera, zaprojektowaliśmy nasz protokół tak, aby pasował do ludzkiego układu wzrokowego. Kamera RGB mogłaby zostać wymieniona, a nasz protokół dostosowany do pomiaru względnego bodźca kolorystycznego dowolnego organizmu, np. czułość w widmie UV jest potrzebna do pomiaru ptasiego koloru tetrachromatycznego24,25. Kamera do obrazowania spektralnego zapewniłaby najbardziej ogólne rozwiązanie25.
Zademonstrowaliśmy nasz protokół z piórami skrzydeł trzecich, ponieważ są one kolorowe i łatwo spłaszczają się na płytce referencyjnej. Niestety, otwór metalowej płytki ujawnił tylko ułamek powierzchni pióra. Gdybyśmy mogli jednocześnie zmierzyć kształt 3D powierzchni pióra przy jednoczesnym pomiarze jego współczynnika odbicia25, moglibyśmy uniknąć mechanicznego spłaszczania pióra i zamiast tego zmierzyć całe pióro w jego naturalnym, niespłaszczonym stanie.
Interaktywne, specjalistyczne, zintegrowane narzędzia do wizualizacji danych zapewniają znaczne korzyści naukowcom badającym i interpretującym duże ilości danych. Im większa integracja i interaktywność, tym łatwiejsze są obserwowane powiązania w danych. W naszym oprogramowaniu użytkownik może interaktywnie wykreślić średnie rozproszenie kierunkowe w funkcji położenia powierzchni (rysunek 4). Dalszy rozwój naszego oprogramowania może zintegrować inne funkcje kreślenia (rysunki 6, 7) w celu rozszerzenia interaktywnego doświadczenia.

Kolor i wzór powłoki organizmu odgrywają kluczowe ekologicznie i społecznie funkcje u większości taksonów zwierzęcych. Te właściwości fenotypowe są determinowane przez interakcję światła ze strukturą powłoki, która może wykazywać rozpraszanie optyczne, które zmienia się zarówno przestrzennie (na powierzchni powłoki), jak i kierunkowo (wraz ze zmianą kierunku oświetlenia i patrzenia). W złożonych materiałach biologicznych, takich jak pióra, na kierunek rozpraszania światła ma wpływ orientacja powtarzającej się geometrii w skali mililitrowej. Te struktury w skali mili same w sobie mogą być osadzone w strukturach w skali nano, takich jak macierze melaniny, które często dziedziczą orientację w skali mili. Od skali nano do makro struktura powłoki ewoluowała funkcjonalnie, aby zwiększyć zdolność sygnalizacyjną organizmu. Aby ocenić wpływ morfologii różnych skal na ogólny wygląd, narzędzia do pomiaru i analizy barwy struktur biologicznych potrzebują elastyczności, aby wyizolować kierunkowe rozpraszanie światła w różnych skalach powiększenia.
Opracowaliśmy narzędzia pomiarowe oparte na obrazach, aby zbadać, jak wydajność złożonej i zróżnicowanej morfologii pióra w skali mili (barb rami, dystalne barbule i proksymalne barbule) rozszerza zakres ekspresji możliwy z samych struktur nano-skalowych. Na pojedynczym zdjęciu zarejestrowanym przez kamerę zaobserwowaliśmy, że światło odbija się w różny sposób w różnych miejscach na powierzchni pióra, co oznacza, że odbicie światła było przestrzenne. Kiedy przesunęliśmy światło i kierunek kamery w stosunku do pióra, zaobserwowaliśmy, że zmienił się współczynnik odbicia, to znaczy odbicie światła zmieniało się kierunkowo1. Na podstawie tych obserwacji zaprojektowaliśmy protokół metodycznego przesuwania światła i kamery wokół obiektu za pomocą sferycznej suwnicy2,3, za pomocą której uchwyciliśmy 2 wymiary położenia powierzchni (X i Y), 2 wymiary kierunku światła (szerokość i długość geograficzna) oraz 2 wymiary kierunku kamery (szerokość i długość geograficzna) (Rysunek 2). W oprogramowaniu wizualnie zbadaliśmy 6 wymiarów rozproszonego światła w funkcji położenia, kierunku oświetlenia i kierunku widoku.
Poprzednie badania nad odbiciem od powłok zbyt często lekceważyły wkład kierunkowości -- np. odbicie rozproszone vs. zwierciadlane lub izotropowe vs. anizotropowe -- do ekspresji kolorów. Większość pomiarów kolorów naprawiała padające światło, obiekt i geometrię oglądania, aby starannie uniknąć efektów kierunkowych. Na przykład, aby wyeliminować odbicia zwierciadlane z pomiarów koloru, często umieszcza się światło normalnie do powierzchni i rejestruje współczynnik odbicia pod kątem 45° od normalnej. Badania, które łączą morfologię ze zmieniającym się kierunkowo współczynnikiem odbicia, zazwyczaj koncentrują się na nanoskali i jej opalizujących konsekwencjach4-8. Niewielu bierze pod uwagę wkład geometrii w skali mikro, mili i makro w sygnaturę optyczną dalekiego pola8-11. Dlatego często stosuje się detektor światła do agregacji współczynnika odbicia w jednym obszarze zainteresowania, który może obejmować wiele składników w skali mili i / lub makro, takich jak brzanki rami, barbule, a nawet całe pióra6,8,11-17. Gdy obszar zainteresowania jest mniejszy niż limit rozdzielczości detektora lub nie jest zgodny z kształtem pola widzenia detektora, wspólny protokół określa preparację próbki w celu odizolowania rozpraszania światła od określonego elementu w skali mili8,10,13,15.
Opracowaliśmy bardziej wszechstronny protokół do pozyskiwania i wizualizacji pomiarów, który zachęca do eksploracji wielu zmiennych, często ignorowanych w innych, bardziej ukierunkowanych badaniach. Mierzymy rozproszenie światła w sferze kierunków i w całym obszarze przestrzeni za pomocą ogromnego zestawu zdjęć o wysokim zakresie dynamiki i wysokiej rozdzielczości, wykonanych z systematycznego zestawu kierunków światła i patrzenia. Stosujemy czujnik obrazowania o wysokiej rozdzielczości z matrycą 2D detektorów pikseli o drobnej skali. Agregacja w sprzęcie zachodzi na poziomie pikseli, w skali mniejszej niż mierzone przez nas elementy w skali mili. Drugi etap agreguje pojedyncze piksele w oprogramowaniu, gdy użytkownik wybiera kształt i rozmiar obszaru zainteresowania. W związku z tym pojedynczy zestaw pomiarowy może być wielokrotnie analizowany w oprogramowaniu w celu zbadania różnych aspektów interakcji światła z materiałem w wielu biologicznie istotnych pozycjach i skalach. Eliminując preparację i pomiar całego pióra, nasz protokół ma tę zaletę, że pozostawia morfologię łopatki pióra nienaruszoną, zachowując naturalny kontekst i funkcję, czyli interakcje światła między elementami składowymi w skali mililitrowej.
Rozpraszanie światła przez strukturę organizmu jest wielowymiarowe i trudne do oszacowania. Zmierzone rozpraszanie światła 6D nie może być jeszcze przypisane specyficznej morfologii w hierarchii skali za pomocą jakiegokolwiek pojedynczego instrumentu. Zrobiliśmy jednak ważny krok w tym kierunku. Opracowaliśmy narzędzie obejmujące trzy uzupełniające się metody - próbkowanie współczynnika odbicia za pomocą portalu, badanie dużych ilości danych w oprogramowaniu i graficzną wizualizację podzbiorów danych - aby rozszerzyć nasze możliwości pomiaru rozpraszania światła 6D w dowolnym punkcie materiału, aż do skali mili. Przewidujemy, że dzięki zastosowaniu protokołów takich jak nasz biolodzy zidentyfikują niezliczoną ilość cech zmieniających się kierunkowo i przestrzennie oraz odpowiadających im adaptacji strukturalnych na wielu skalach rozwoju. Korzystając z naszych narzędzi, jesteśmy zaangażowani w scharakteryzowanie potencjału sygnalizacyjnego kierunkowej i przestrzennej ekspresji struktur w skali mili i mamy nadzieję rzucić światło na ich adaptacyjne konsekwencje. Odpowiadamy na szereg pytań, takich jak: z dowolnego punktu obserwacyjnego, które elementy pióra w skali subtelnej lub w skali grubej odbijają się silnie? W jaki sposób orientacja elementów w skali subtelnej wpływa na kierunek rozpraszania światła? Jakie warunki morfologiczne wytwarzają satynowy połysk, a jakie cekinowy blask opalizującego ornamentu? Czy niektóre gatunki wytwarzają szersze "okna" do obserwacji opalizacji niż inne? Pytania te mogą dotyczyć ptaków i ich piór, ale także wszelkich innych organizmów, które wyewoluowały określony wygląd powierzchni dla sygnalizacji, kamuflażu lub z innych powodów.

pomiar przestrzennego i kierunkowego rozpraszania światła od materiału biologicznego

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

Światło oddziałuje z powłoką organizmu na różnych skalach przestrzennych. Na przykład u opalizującego ptaka: struktury w skali nano wytwarzają kolor; Struktura miliskalowa kolców i barbul w dużej mierze determinuje kierunkowy wzór odbitego światła; A dzięki strukturze przestrzennej w skali makro nakładających się na siebie, zakrzywionych piór, te kierunkowe efekty tworzą teksturę wizualną. Efekty w skali mili i makro określają, w którym miejscu na ciele organizmu, z jakich punktów widzenia i przy jakim oświetleniu widoczne są opalizujące kolory. Tak więc wysoce kierunkowy błysk jaskrawego koloru z opalizującego gardła kolibra nie jest wystarczająco wyjaśniony przez samą jego strukturę w skali nano i pozostają pytania. Z danego punktu obserwacyjnego, które elementy pióra w skali mili są zorientowane tak, aby silnie odbijać? Czy niektóre gatunki wytwarzają szersze "okna" do obserwacji opalizacji niż inne? Te i podobne pytania można zadać w odniesieniu do wszelkich organizmów, które wyewoluowały określony wygląd powierzchni z sygnalizacji, kamuflażu lub z innych powodów.
W celu zbadania kierunkowych wzorców rozpraszania światła przez pióra i ich związku z morfologią ptaka w skali mili, opracowaliśmy protokół pomiaru światła rozproszonego od materiałów biologicznych za pomocą wielu zdjęć o wysokiej rozdzielczości, wykonanych przy różnym oświetleniu i kierunkach oglądania. Ponieważ mierzymy światło rozproszone w funkcji kierunku, możemy zaobserwować charakterystyczne cechy w kierunkowym rozkładzie światła rozproszonego od tego konkretnego pióra, a ponieważ kolce i barbule są rozdzielone na naszych obrazach, możemy wyraźnie przypisać cechy kierunkowe tym różnym strukturom w skali mili. Utrzymanie próbki w stanie nienaruszonym pozwala zachować zachowanie rozpraszania na dużą skalę obserwowane w naturze. Opisana tutaj metoda przedstawia uogólniony protokół analizy przestrzennego i kierunkowo zmiennego rozpraszania światła od złożonych materiałów biologicznych w wielu skalach strukturalnych.

Podstawowy pomiar w naszym protokole (Procedura I na Rysunku 1) zakładał ustawienie kamery prostopadle do powierzchni i przesuwanie jedynie źródła światła. Ponieważ rozpraszanie światła opiera się na zasadzie wzajemności, wynik jest taki sam, niezależnie od tego, czy utrzymamy stałą pozycję kamery, przesuwając światło po półkuli, czy odwrotnie. Przy ustaleniu pozycji kamery lub światła, pełny czterowymiarowy zestaw kierunków jest niedoreprezentowany. Pełniejszy obraz zachowania rozpraszania obserwuje się, gdy – w przeciwieństwie do pomiaru podstawowego – zarówno światło, jak i kamera są przesuwane w różnych kierunkach, oddalając się od normalnej do powierzchni. W idealnym przypadku moglibyśmy mierzyć rozpraszanie światła z wielu kierunków obserwacji, nawet w liczbie równej liczbie kierunków padania światła, aby uzyskać symetryczny zestaw danych. W praktyce wymagałoby to zbyt wielu ekspozycji. Nasze doświadczenie wskazuje, że wystarczające informacje o różnych pozycjach obserwacyjnych można uzyskać, przesuwając kamerę kilkakrotnie, zakładając 180° symetrię obrotową względem normalnej do powierzchni. Podczas fazy pomiarów wtórnych wykonaliśmy pomiary z 7 kierunków obserwacji rozłożonych na półkuli w obrębie 60° od zenitu18,19 (Procedura II.A na Rysunku 1).
Na rysunkach w niniejszej pracy przedstawiamy reprezentatywne dane pomiarowe z pióra Lamprotornis purpureus (szczygłowca purpurowego), którego odbicie jest opalizujące, błyszczące i anizotropowe (Rysunek 5). Dla każdego z 7 kierunków obserwacji zbierano światło odbite z setek kierunków oświetlenia padającego na półkulę. Kierunki te tworzą wąski pas zorientowany ortogonalnie do osi centralnej pióra (patrz obraz pióra na Rysunku 4). Przesunięcie koloru opalizacji jest subtelne (niebiesko-zielone przy padaniu prostopadłym i zielono-niebieskie przy padaniu pod kątem ostrym), gdy pióro jest obserwowane prostopadle do jego powierzchni, co widać na wykresie RGB dla {0°,0°} na Rysunku 5. W miarę jak kąt obserwacji zbliża się do kąta ostrego, kąty między kierunkiem obserwacji a kierunkami padania pod kątem ostrym są maksymalizowane, co prowadzi do bardziej wyraźnego przesunięcia koloru (niebiesko-zielonego przy 0° i purpurowego przy 240° pomiędzy kierunkami padania i obserwacji), co widać na wykresie RGB dla {60°,0°} na Rysunku 5.
Możemy zastosować znacznie mniejszą rozdzielczość kątową dla światła i kamery, ograniczając ruchy do 1 wymiaru. Rysunek 6 przedstawia chromatyczność odbicia upierzenia L. purpureus jako funkcję kąta między kierunkiem padania a kierunkiem obserwacji, gdzie oba te kierunki znajdują się w płaszczyźnie zawierającej pas zwierciadła, który jest prostopadły do osi podłużnej dystalnej barbuli. W miarę jak kolor iryzujący przemieszcza się po przestrzeni chromatyczności, odcień zmienia się z niebiesko-zielonego na fioletowy.
Przestrzenna zmienność odbicia kierunkowego jest widoczna w miejscach, gdzie różne współrzędne (X,Y) pokrywy odpowiadają różnym strukturom w skali mili. W przypadku L. purpureus na większości obszaru widoczna jest tylko jedna struktura – dystalna barbula. W przeciwieństwie do tego, u C. cupreus w danych wyraźnie rozróżnia się trzy struktury w skali mili – rami, barbule dystalne i barbule proksymalne; można zaobserwować, że odbicie od pióra jest zorientowane względem osi podłużnej każdej z tych struktur (Rysunek 8).
<img alt="Diagram równowagi statycznej; rutyna podstawowa/wtórna; próbkowanie przestrzenne; wyniki wizualne; sfera, półsfera." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1. Ten schematyczny przegląd przedstawia dwie metody montażu, sferyczny układ współrzędnych wspornika, typy próbkowania akwizycji oraz ich odpowiednie wyniki. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony rysunek</a>.
<img alt="Schemat ramienia robotycznego z osiami XYZ dla analizy stanu równowagi statycznej." src="/files/ftp_upload/50254/50254fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2. Spłaszczone pióro jest widoczne przez otwór w metalowej płytce otoczonej pierścieniem celów. Sferyczny stelaż może być ustawiany w celu pomiaru rozpraszania światła od pióra przy wielu kierunkach oświetlenia i obserwacji. L=Ramię oświetlenia (szerokość geograficzna). C=Ramię kamery (szerokość geograficzna). B=Podstawa kamery (długość geograficzna). T=Stół obrotowy (długość geograficzna). F=Pióro.
<img alt="Diagramy równowagi statycznej: punkt, linia, prostokąt; analiza sił i momentów w mechanice." src="/files/ftp_upload/50254/50254fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3. Średnie rozproszenie kierunkowe można obliczyć dla punktu, linii lub prostokątnego obszaru chorągiewki pióra.
<img alt="Obrazy z mikroskopii w świetle spolaryzowanym próbek minerałów, ukazujące wzory i orientacje dwójłomności." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4. Przykład funkcji wykresowania rozpraszania kierunkowego (R*=Kierunkowość odbicia, T*=Przezierność, P*=Góra, F*=Przód, S*=Bok, A*=Dowolny) i schematów kolorystycznych (*1=Luminancja, *2=RGB, *3=Chromatyczność). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy rysunek</a>.
<img alt="Rozkład luminancji polarnej, diagram; pokazuje natężenie światła w współrzędnych sferycznych, zakodowane kolorystycznie według luminancji." fo:content-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5. Luminancja (góra) i kolor RGB (dół) odbicia półsferycznego w przestrzeni cosinusów kierunkowych, widziane z par współrzędnych (kąt elewacji, kąt azymutu): {0°,0°}, {30°,0°}, {30°,90°}, {60°,0°}, {60°,45°}, {60°,90°} oraz {60°,135°}. Odbicie zostało uśrednione z prostokątnego obszaru o wymiarach 25×25 pikseli bocznej łodyżki pióra trzeciorzędowego L. purpureus (szczygłaka purpurowego). Czerwone strzałki reprezentują kierunki kamery. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony rysunek</a>.
<img alt="Wykres chromatyczności ze spektrum kolorów, przedstawiający punkt bieli i poziomy nasycenia, analiza fotometryczna." fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 6"> 
Rycina 6. Chromatyczność odbicia w funkcji połowy kąta między kierunkiem oświetlenia a kierunkiem obserwacji: Jednolite Skale Chromatyczności (USC) CIE 1976 z powiększonym obszarem. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą rycinię</a>.
<img alt="Wykresy polarne przedstawiające zmienność kąta chromatyczności i luminancji wraz z analizą danych spektralnych." fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig7highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 7"> 
Rysunek 7. Odbiór światła w funkcji kąta między kierunkiem oświetlenia a kierunkiem obserwacji, w płaszczyźnie (kolor czerwony) i prostopadle (zacienienie) do osi podłużnej dystalnej barbuli: (A) długość fali dominującej, (B) procent chromatyczności, (C) procent luminancji. Cieniowanie kolorystyczne na wykresie A odpowiada kolorowi RGB odbitego światła. Ujemne wartości długości fali reprezentują kolory w niespektralnym trójkącie purpury. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig7large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony rysunek</a>.
<img alt="Mikroskopia pióra pawia; analiza luminancji w segmentach poprzecznych, wykres ze skalą procentową luminancji." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 8"> 
Rysunek 8. Średnie odbicie kierunkowe dystalnych i proksymalnych barbuli między dwoma sąsiednimi ramiami C. cupreus (kukułki szmaragdowej).
<img alt="Schemat analizy chiralności z użyciem polarymetru; wyświetlono obrót optyczny i wizualizację struktury." fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 9"> 
Rycina 9. (A) Obraz nierektyfikowany oświetlony lampą wysięgnikową, (B) Obraz nierektyfikowany oświetlony lampą błyskową aparatu, (C) Przefiltrowane potencjalne cele na obrazie poddanym transformacji afinicznej i oświetlonym lampą błyskową, (D) Cele o dopuszczalnej ostrości w obrębie głębi ostrości, (E) Rektyfikowany obraz oświetlony lampą, (F) Obrócony czubek pióra skierowany w górę, przycięty i zamaskowany. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig9large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną rycinę</a>.

Prezentujemy nieniszczącą metodę próbkowania zmienności przestrzennej w kierunku światła rozproszonego z materiałów strukturalnie złożonych. Utrzymując materiał w stanie nienaruszonym, zachowujemy rozpraszanie w skali grubej, jednocześnie rejestrując precyzyjne wkłady kierunkowe za pomocą obrazowania o wysokiej rozdzielczości. Wyniki są wizualizowane w oprogramowaniu w biologicznie istotnych pozycjach i skalach.

Pomiar przestrzennego i kierunkowego rozpraszania światła od materiału biologicznego

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 ...

Ogólnym celem tej procedury jest pomiar i wizualizacja zmiany kierunku światła rozproszonego przez materiał o złożonej strukturze w wielu skalach strukturalnych, w celu kontrolowania światła padającego oraz kierunków obserwacji. Materiał należy umieścić w centrum sferycznego ramienia gantry, a następnie sekwencyjnie zamontować lampę na jednym ramieniu i kamerę na drugim ramieniu. Należy fotografować materiał, systematycznie przesuwając lampę przez serię dyskretnych pozycji na sferze, wycentrowanej na materiale w oprogramowaniu.Wybierz obszar zainteresowania na materiale i wyodrębnij piksele tworzące ten obszar na każdym zdjęciu. Następnie przypisz wartości pikseli do ich odpowiednich pozycji na sferze, aby zwizualizować kierunek światła rozproszonego z wybranego obszaru. Na koniec wykorzystaj uzyskane dane do zaplanowania dodatkowych pomiarów z wielu kierunków ustawienia kamery oraz z większą rozdzielczością kątową.W ostateczności metoda ta pomaga badaczom zidentyfikować zależność między strukturą organizmu a kierunkową sygnalizacją wizualną. Główną zaletą tej techniki w porównaniu do istniejącej geometrii rozproszenia obrazowania jest możliwość wizualizacji w oprogramowaniu zmienności przestrzennej kierunkowej odbiciowości złożonych materiałów w wielu biologicznie istotnych skalach. Choć koncentrujemy się na kierunkowej sygnalizacji ptaków i wyglądzie upierzenia, metoda ta jest stosowalna w przypadku innych układów optycznych wykazujących strukturalne hierarchie skali.W pierwszym kroku eksperymentu należy przygotować cienką metalową płytkę montażową Ferris z otworem o średnicy około pół cala, otoczoną pierścieniem celowników. Położyć badane pióro na tylnej stronie płytki. Wybrany obszar zainteresowania należy wycentrować nad otworem.Następnie przyłóż arkusz folii magnetycznej z otworem o podobnej wielkości do tylnej strony pióra, aby docisnąć pióro do płytki. Wyrównaj otwory w folii i płytce, uważając, aby nie przeciąć pióra. W ten sposób pióro powinno uzyskać płaską powierzchnię makroskopową, niemal pokrywającą się z powierzchnią płytki.Aby skonfigurować gantry. Należy zacząć od zlokalizowania środka okrągłego otworu w punkcie początku układu współrzędnych gantry. Umieść źródło światła na zewnętrznym ramieniu gantry.Skieruj i skup wiązkę światła na piórze. Następnie zamontuj kamerę na wewnętrznym ramieniu wysięgnika. Dostosuj odległość kamery oraz ostrość obiektywu makro tak, aby pierścień celowników wypełniał szerokość sensora.Na tym etapie ramiona gantry powinny być skalibrowane, a ostrość i ekspozycja kamery skonfigurowane. Rozpocznij pomiary, ustawiając oś optyczną kamery prostopadle do płaszczyzny powierzchni. Umieść źródło światła w pierwszej z serii pozycji definiujących kierunki padania światła.Pozycje powinny być rozmieszczone równomiernie na sferze z centrum w miejscu położenia pióra w ciemnym pomieszczeniu. Dla każdej pozycji światła należy wykonać zdjęcie w formacie raw dla każdego czasu naświetlania z wcześniej określonego zakresu ekspozycji. Następnie należy przenieść światło do kolejnej pozycji i powtórzyć czynność.Po zebraniu danych należy rozpocząć przetwarzanie obrazów dla każdego zdarzenia. Kierunek światła. Zintegruj wszystkie ekspozycje o niskim zakresie dynamicznym w jeden kolorowy obraz o wysokim zakresie dynamicznym.Te kolorowe obrazy o wysokiej rozpiętości tonalnej są wykorzystywane do generowania danych do wizualizacji. Do przeglądania danych procesowych służy dedykowana, prosta aplikacja przeglądarki. Otwiera ona okno zawierające obraz pióra oświetlonego pod pierwszym kątem padania światła.Teraz wybierz obszar żyłki pióra do analizy. W tym przypadku z dostępnych opcji wybrano obszar prostokątny. Wykreśl średnie kierunkowe rozproszenie światła z wybranego obszaru. Okno wykresu przedstawia współczynnik odbicia w funkcji kierunku.Okno Co-sign otwiera się obok okna obrazu, umożliwiając regulację ekspozycji mapy kolorów. Za pomocą oprogramowania można przełączać mapę kolorów odbicia na sferze jednostkowej między luminancją RGB a chromatycznością. W dalszej części tekstu zastosowano naszą mapę GB.Aby obrócić sferę, kliknij ją. Aby uruchomić interfejs trackballa, przesuń interfejs, co spowoduje obrót. Aby wyświetlić półkulę odbicia, przywróć sferę do jej domyślnej pozycji.Obróć sferę o 180 stopni względem pozycji domyślnej. Aby wyświetlić półkulę transmitancji dla innego widoku danych, wybierz tryb wykresu polarnego, aby zobaczyć promienie każdego kierunku na sferze jednostkowej przeskalowane zgodnie z ich odpowiednimi wartościami luminancji. Zmień mapę kolorów sfery przeskalowanej według luminancji z RGB na chroma.Kierunek oświetlenia wyświetlonego obrazu został zaznaczony czerwonym okręgiem na wykresie rozpraszania kierunkowego. Kliknij dowolny inny kierunek padania światła, aby wyświetlić pióro oświetlone z tego kierunku. Zmniejsz ekspozycję obrazu, aby skorygować prześwietlenie.Aby zbadać odbicie światła w różnych skalach, przywróć tryb wykresu do sfery jednostkowej i użyj mapy kolorów RGB. Zmień typ zaznaczenia z obszaru prostokątnego na liniowy. Pozwoli to na analizę odbicia z poszczególnych struktur w małej skali w obrębie obszaru prostokątnego.Wykreśl refleksyjność średniej liniowej w nowym oknie, zachowując średnią prostokątną jako punkt odniesienia. Tutaj widać, że dystalne barbule pióra objęte obszarem liniowym odbijają światło wzdłuż linii poziomej. Wybierz jeden z kierunków oświetlenia na wykresie liniowym, aby wyświetlić silnie odbijające światło dystalne barbule na obrazie po lewej stronie i zbadać przyległy ciemny pas.Przesuń zaznaczenie liniowe, aż znajdzie się w tym obszarze struktury pióra. To tutaj, w liniowym wykresie średniej, gałąź proksymalna ES odchodzi od ramion; widać, że proksymalne ES odbijają światło w pionie. Wybierz jeden z kierunków, aby wyświetlić silnie odblaskowe pary proksymalne na obrazie po lewej stronie.Zauważmy, że drobnoziarniste struktury, które odbijają światło poziomo i pionowo na wykresie liniowym, łączą się, tworząc sygnał w polu dalekim widoczny na wykresie prostokątnym. Po omówieniu podstawowych kroków pomiaru i wizualizacji kierunkowego rozpraszania światła w hierarchii skal, poniżej opisano zaawansowane techniki kalibracji kamery w celu przygotowania do przeprowadzenia eksperymentów z wielu kierunków ustawienia kamery, przy użyciu zamontowanego klipsa z piórkiem oraz tarczy kalibracyjnej w szachownicę, przylegającej płasko do płyty montażowej. Ustaw kamerę tak, aby jej oś była prostopadła do płyty.Użyj dowolnego oświetlenia zapewniającego odpowiednią ekspozycję, aby wykonać jedno zdjęcie. Wykonaj zdjęcia płytki do wykorzystania w narzędziach kalibracji kamery boogey w programie matlab. Wykazano, że wystarczające jest wykonanie dziewięciu zdjęć z pozycji kamery znajdujących się wewnątrz stożka o kącie 120 stopni, wyśrodkowanego na osi prostopadłej do płytki.Po wykonaniu tej czynności skalibruj pozycję kamery, w tym jej odległość Z od celu kalibracyjnego. Następnie usuń cel kalibracyjny, odsłaniając pierścień celów otaczających aperturę. Użyj zamontowanej w kamerze lampy błyskowej, aby uchwycić dwa obrazy celów: jeden z kierunku prostopadłego do płytki, a drugi pod kątem grazing.Dwa obrazy zostaną wykorzystane do skalibrowania odległości kamery od pierścienia docelowego i pióra poprzez wyznaczenie przesunięć translacyjnych T one i T two. Po skalibrowaniu kamery możemy zmierzyć rozpraszanie światła z wielu kierunków kamery, stosując naprzemienne wzorce próbkowania kierunkowego. Aby zacząć, należy użyć prostej przeglądarki do otwarcia zbioru danych zawierającego rzadko próbkowaną sferę kierunków światła padającego oraz prostopadły kierunek kamery.Przeanalizuj rozkład kierunkowy światła odbitego od pióra. Na podstawie tej analizy doprecyzuj zestaw kierunków światła padającego, aby usprawnić próbkowanie kierunkowe. Pozycje te powinny gęsto próbkować kierunki zwierciadlane, a rzadziej kierunki rozproszone.Wybierz sześć dodatkowych kierunków kamery, rozłożonych równomiernie na połowie półsfery. Dla każdego kierunku wykonaj gęste próbkowanie półsfery odbicia dla kierunków zwierciadlowych i rzadkie dla kierunków niezwierciadlowych dla każdego kierunku światła padającego w każdej półsferze. Najpierw sfotografuj pierścień celu otaczający pióro, używając zamontowanej na kamerze lampy błyskowej.W drugim kroku należy sfotografować pióro przy każdym ustawieniu naświetlania w ramach serii bracketingu. Następnie należy zintegrować te ekspozycje w kolorowy obraz o wysokiej rozpiętości tonalnej (HDR). Zdjęcie wykonane z użyciem lampy błyskowej należy wstępnie zrektyfikować, korzystając z współrzędnych statywu.Następnie znajdź i wykorzystaj centra celów, aby precyzyjnie rzutować obraz HDR pióra w taki sposób, jakby zostało ono sfotografowane z kierunku prostopadłego. Po przetworzeniu użyj prostej przeglądarki, aby wizualnie przejrzeć odbicie kierunkowe z tego samego obszaru pióra. W każdej z siedmiu niejednorodnie próbkowanych półsfer rozmieść wykresy odbicia kierunkowego dla każdego z kierunków kamery. Na układzie współrzędnych biegunowych przedstawiono wielokrotne pomiary pozycji kamery wykonane na piórze miodnicy lakowej.Czerwone strzałki reprezentują kierunki kamery. Położenia kamery na sferze przedstawiono na wstawce. W każdym z kierunków obserwacji światło odbite jest zbierane z setek kierunków oświetlenia padającego.Dane kolorystyczne RGB wykazały, że pióro jest iryzujące, zmieniając barwę z niebiesko-zielonej przy kątach padania normalnych na purpurową przy kątach padania zbliżonych do równoległych. Technikę tę można zastosować do badań o wyższej rozdzielczości kątowej, gdy oświetlenie padające oraz kierunki widzenia kamery są ograniczone do jednego wymiaru. Na wstawce przedstawiono chromatyczność odbicia jako funkcję kąta połowokątowego między kierunkiem padania a kierunkiem widzenia.Gdy kierunki te znajdują się w płaszczyźnie prostopadłej do osi podłużnej dystalnego pręta, w miarę jak iryzujący kolor przemieszcza się łukiem w przestrzeni chromatyczności, odcień zmienia się z niebiesko-zielonego na purpurowy. Przedstawiono tutaj dominującą długość fali odbicia w funkcji kąta między kierunkiem padania a kierunkiem obserwacji. Czerwona linia odpowiada sytuacji, w której oba kierunki znajdują się w jednej płaszczyźnie z osią podłużną dystalnego pręta.Zacieniowany obszar odnosi się do sytuacji, gdy kierunki są prostopadłe do tej osi. Kolor zacienienia odpowiada kolorowi RGB fali ujemnej odbicia. Wartości długości reprezentują kolory w obszarze niespektralnym.Oprócz długości fali dominującej dostępne są dane dotyczące procentowej chromatyczności i procentowej luminancji odbicia w funkcji kąta między kątem padania a kątem widzenia. Ponownie, czerwona linia odpowiada sytuacji, w której kierunek światła padającego i kierunek widzenia znajdują się w jednej płaszczyźnie z osią podłużną pręta dystalnego. Obszar zacieniowany odnosi się do sytuacji, gdy kierunki te są prostopadłe do tej osi.Po opanowaniu typowego pomiaru, dane z wykorzystaniem tej techniki mogą zostać pozyskane i przetworzone w czasie krótszym niż 14 godzin. Technika ta utorowała drogę badaczom z dziedziny ornitologii i grafiki komputerowej do zbadania zależności między złożoną morfologią upierzenia a kierunkowymi efektami wizualnej sygnalizacji ptaków.

measuring-spatially-directionally-varying-light-scattering-from

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Pomiar przestrzennie i kierunkowo zmiennej rozpraszania światła przez materiał biologiczny

Prezentujemy metodę mikroskopii w ciemnym polu opartą na filtrowaniu typu Gabora do pomiaru dynamiki subkomórkowej w pojedynczych żywych komórkach. Technika ta jest czuła na zmiany w strukturze organelli, takie jak fragmentacja mitochondriów.

Mikroskopia rozproszeniowa optyczna oparta na dwuwymiarowych filtrach Gabora

Obrazowanie przyżyciowe o wysokiej rozdzielczości ze zwiększonym kontrastem do głębokości 120 μm w węzłach chłonnych dorosłych myszy osiąga się poprzez przestrzenną modulację wzorca wzbudzenia wieloogniskowego mikroskopu dwufotonowego. Na głębokości 100 μm zmierzyliśmy rozdzielczości 487 nm (boczna) i 551 nm (osiowa), omijając w ten sposób granice rozpraszania i dyfrakcji.

Wysokorozdzielcza przyżyciowa mikroskopia pasiasta ośrodków rozrodczych

Nasycone i odwrócone saturable rozpraszanie zostały odkryte w izolowanych cząstkach plazmonicznych i przyjęte jako nowatorska metoda kontrastu bez wybielania w mikroskopii superrozdzielczej. Tutaj szczegółowo wyjaśniono eksperymentalne procedury wykrywania i ekstrakcji rozpraszania nieliniowego, a także sposoby zwiększenia rozdzielczości za pomocą nasyconej mikroskopii wzbudzenia.

Pomiar nieliniowości rozpraszania od pojedynczej nanocząstki plazmonicznej

Polimeryzacja wytrącająca bez mieszania zapewnia szybkie, powtarzalne podejście do prototypowania syntezy wrażliwych na bodźce mikrożeli poli(N-izopropyloakrylamidowych) o wąskim rozkładzie rozmiarów. W tej syntezie protokołu demonstruje się charakterystykę rozpraszania światła i śledzenie fluorescencji pojedynczych cząstek tych mikrożeli w mikroskopii szerokokątnej.

Kontrolowana synteza i śledzenie fluorescencji wysoce jednorodnych mikrożeli poli(N-izopropyloakrylamidowych)

Przedstawiono protokół bezpośredniego pomiaru rozkładu wielkości cząstek w stężonych roztworach za pomocą dynamicznej mikroskopii rozpraszania światła.

Pomiar rozkładu wielkości cząstek w mętnych roztworach za pomocą mikroskopii dynamicznego rozpraszania światła

Jednoczesna ocena hemodynamiki mózgu mózgu i właściwości rozpraszania światła w tkance mózgowej szczura in vivo jest demonstrowana przy użyciu konwencjonalnego wielospektralnego systemu obrazowania odbicia rozproszonego.

Jednoczesna ocena właściwości hemodynamiki mózgu i rozpraszania światła w mózgu szczura in vivo za pomocą wielospektralnego obrazowania odbicia rozproszonego

Ten protokół opisuje skanujący profiler rozpraszania światła (SLSP), który umożliwia pełną ocenę ilościową do przodu i do tyłu rozpraszania światła z soczewek wewnątrzgałkowych (IOL) przy użyciu zasad goniofotometru.

Metodologia oparta na skanowaniu profilera rozpraszania światła (SLPS) do ilościowej oceny rozpraszania światła do przodu i do tyłu z soczewek wewnątrzgałkowych

Przedstawiono metody numeryczne i eksperymentalne dla wielokrotnego rozpraszania światła w dyskretnych ośrodkach losowych gęsto upakowanych cząstek. Metody te są wykorzystywane do interpretacji obserwacji planetoidy (4) Westa i komety 67P/Czuriumow-Gierasimienko.

Rozpraszanie i absorpcja światła w regolitach planetarnych

W tym protokole przedstawiamy elementy projektu koncepcyjnego i rozwój strukturalny aparatu do pomiaru ostrości olśnienia. Dodatkowo opisano konstrukcję urządzenia do pomiaru dodatnich dysfotopsji (aureole, szprychy) oraz dwupunktowych progów świetlnych.

Pomiar behawioralnych skutków rozproszenia wewnątrzgałkowego

W tym artykule opisana jest metoda pomiaru promieniowania in situ w żywej tkance. Praca ta zawiera szczegółowe informacje na temat budowy sond w skali mikro do różnych pomiarów promieniowania i natężenia promieniowania, zawiera wskazówki dotyczące montażu tkanki w celu charakterystyki promieniowania oraz przedstawia metody obliczeniowe do analizy uzyskanych danych.

Mikrosonda radiometryczna wewnątrztkankowa do pomiaru promieniowania in situ w żywej tkance

Niniejszy artykuł opisuje protokół mechanicznej charakterystyki żywych sferoidów w macierzy 3D za pomocą mikrospektroskopii Brillouina. Ta całkowicie optyczna metoda umożliwia wizualizację sferoidów o rozdzielczości mikroskalowej oraz ilościowych właściwościach mechanicznych. To podejście ma znaczenie dla fenotypowania mechanicznego; na przykład określanie stanów patologicznych kulistych nowotworów w mikrośrodowisku 3D.

Mechaniczne mapowanie sferoidów za pomocą spektroskopii Brillouina

Poznaj nieinwazyjną metodę pomiaru przestrzennego rozpraszania światła od złożonych materiałów biologicznych. Technika umożliwia wizualizację kierunkowego odbicia przy zachowaniu integralności próbki.

Pomiar przestrzennego i kierunkowego rozpraszania światła od materiału biologicznego

Przeglądaj więcej filmów