TEORI ABERASI

Abstrak

                              Lensa adalah sebuah alat untuk mengumpulkan atau menyebarkan cahaya. Cahaya yang dikumpukan tersebut akan menghasilkan bayangan. Namun, ada kalanya bayangan yang terbentuk dari proses pemantulan maupun pembiasan cahaya tersebut akan mengalami kecacatan, sehingga akan menghasilkan bayangan yang cacat pula. Jika semua sinar dari sebuah objek titik tidak difokuskan pada sebuah titik bayangan tunggal, bayangan buram yang dihasilkan inilah yang disebut aberasi (Tippler, 2001). Ada banyak jenis aberasi yang bisa terjadi, diantaranya aberasi speris (koma,  distorsi, astigmatisme), aberasi kromatik, aberasi monokromatik (aberasi defokus, aberasi kurva medan). Teori aberasi dapat dimanfaatkan untuk menguji kesempurnaan suatu lensa berdasarkan sifat aberasinya. Tingkat kesempurnaan lensa tidak bergantung pada besar kecilnya panjang fokusnya tetapi bergantung pada tingkat kelengkungan permukaan lensa tersebut karena dengan kelengkungan permukaan lensa yang digunakan semakin kecil akan semakin mengurangi sifat aberasi sferis dari lensa.

Kata kunci: Teori Aberasi, cacat lensa, jenis-jenis aberasi, aplikasi

1.              Pendahuluan

        

Lensa adalah sebuah alat untuk mengumpulkan atau menyebarkan cahaya, biasanya terbentuk dari sepotong gelas yang dibentuk (Giancoli, 2001). Pada proses terbentuknya bayangan pada lensa, ada kalanya cahaya yang datang setelah dibiaskan oleh lensa, tidak berpotongan pada satu titik. Akibatnya, bayangan yang dibentuk tidak hanya sebuah. Hal ini dikarenakan jarak titik api lensa tergantung pada index bias lensa, sedang index bias tersebut berbeda-beda untuk panjang gelombang yang berbeda. Sehingga jika sinar tidak monokhromatik (polikhromatik), lensa akan membentuk sejumlah bayangan yang berbeda-beda posisinya dan juga ukurannya, meskipun sinarnya itu paraxial. Sinar paraxial adalah sinar datang yang membentuk sudut terkecil dengan sumbu utama. Adanya kenyataan bahwa bayangan yang dibentuk tidak sesuai dengan perkiraan yang didasarkan pada persamaan Gauss inilah yang disebut Aberasi.

2. Pembahasan

a. Pengertian Aberasi

Aberasi disebut juga kesesatan atau kecacatan lensa. Aberasi adalah kelainan bentuk bayangan yang dihasilkan oleh lensa atau cermin. Suatu kesalahan dalam system optis sehingga bayangan yang terjadi tidak sama dengan bendanya. Pada lensa atau cermin, kadang-kadang terbentuk bayangan yang tidak dikehendaki. Misalnya timbulnya jumbai-jumbai berwarna di sekitar bayangan. Hal ini terjadi jika semua sinar dari sebuah objek titik tidak difokuskan pada sebuah titik bayangan tunggal,sehingga muncul bayangan yang tidak hanya satu atau munculnya bayangan buram yang dihasilkan inilah yang disebut aberasi (Tippler, 2001).

Aberasi optik adalah degradasi kinerja suatu sistem optik dari standar pendekatan paraksialoptika geometris. Degradasi yang terjadi dapat disebabkan sifat-sifat optik dari cahaya maupun dari sifat-sifat optik sistem kanta sebagai medium terakhir yang dilalui sinar sebelum mencapai mata pengamatnya.

b. Jenis Aberasi

1.      Aberasi Sferis

Adalah gejala kesalahan terbentuknya bayangan yang diakibatkan pengaruh kelengkungan lensa atau cermin. Aberasi semacam ini akan menghasilkan bayangan yang tidak memenuhi hukum-hukum pemantulan atau pembiasan.

Pembentukan bayangan pada lensa tipis sejauh ini adalah pembentukan bayangan oleh sinar-sinar paraksial atau sinar-sinar yang dekat dengan sumbu utama lensa sehingga bayangan yang terbentuk terkesan sangat jelas dan tajam. Pada kenyataannya, bayangan yang dibentuk oleh lensa tidak selalu tajam, bahkan bisa saja terlihat kabur (buram). Cacat bayangan seperti ini disebabkan oleh berkas sinar yang jauh dari sumbu utama tidak dibiaskan sebagaimana yang diharapkan. Berkas sinar sejajar yang jauh dari sumbu utama dibiaskan lensa tidak tepat di fokus utama, tetapi cenderung untuk mendekati pusat optik (Gambar). Semakin jauh dari sumbu utama, berkas sinar sejajar ini akan semakin mendekati pusat optik lensa. Cacat inilah yang disebut aberasi sferis. Aberasi ini dapat dihilangkan dengan mempergunakan diafragma yang diletakkan di depan lensa atau dengan lensa gabungan aplanatis yang terdiri dari dua lensa yang jenis kacanya berlainan

Ada dua jenis aberasi Sferis :

a.                   Aberasi Sferis Aksial

Aberasi sferis aksial menimbulkan ketidakpastian letak bayangan sepanjang arah sumbu optic.

b.                   Aberasi Sferis lateral

Aberasi lateral menyebabkan kekaburan bayangan titik sumber sinar berupa bundaran kekaburan pada arah tegak lurus sumbu optic.

c.                   Koma

Pada dasarnya, koma sama dengan aberasi sferik yakni sebagai akibat dari kegagalan lensa dalam membentuk gambar dari sinar pusat dan sinar-sinar yang melalui daerah yang lebih ke pinggir lensa pada satu titik. Hanya saja, pada koma sebuah titik benda akan terbentuk bayangan seperti bintang berekor, gejala koma ini tidak dapat diperbaiki dengan diafragma.

d.                  Astigmatisme

Sementara  Astigmatisma itu sama dengan koma dalam hal bahwa koma itu terbentuk akibat penyebaran gambar dari suatu titik pada suatu bidang yang tegak lurus pada sumbu lensa sedangkan asigmatisma terbentuk sebagai penyebaran gambar dalam suatu arah sepanjang sumbu lensa. Dalam ketiga hal tersebut, gambarnya akan menjadi kabur. Adapun distorsi timbul akibat dari pembesaran yang berbeda dalam arah yang menjauhi sumbu lensa; sehingga suatu benda yang tadinya berbentuk garis lurus akan berubah bentuknya menjadi melengkung.

2.                   Aberasi Kromatik

Adalah Pembiasan cahaya yang berbeda panjang gelombang pada titik fokus yang berbeda. Prinsip dasar terjadinya aberasi kromatis oleh karena fokus lensa berbeda-beda untuk tiap-tiap warna. Akibatnya bayangan yang terbentuk akan tampak berbagai jarak dari lensa. Aberasi kromatik timbul akibat perbedaan indeks bias lensa untuk panjang gelombang cahaya yang berbeda; cahaya yang terdiri dari berbagai panjang gelombang akan mengalami distorsi atau penguraian warna bila melalui lensa tersebut, dan fokus pun akan berbeda-beda menurut warna dan panjang gelombang tersebut sehingga terbentuklah gambar sesuai dengan masing-masing panjang gelombang itu.

Ada dua macam aberasi kromatik :

a.                   Aberasi kromatik aksial/longitudinal

Perubahan jarak bayangan sesuai dengan indeks bias.

b.                   Aberasi kromatik lateral

Perubahan aberasi dalam ukuran bayangan.  Untuk menghilangkan terjadinya aberasi kromatis dipakai lensa flinta dan kaca krown; lensa kembar ini disebut “ Achromatic double lens”.

3.                   Aberasi Monokromatik

Aberasi monokromatik  sering juga disebut aberasi tingkat ketiga adalah aberasi yang terjadi walaupun sistem optik mempunyai lensa dengan bidang speris yang telah sempurna dan tidak terjadi dispersi cahaya.

Muka gelombang sinar yang datar, setelah melewati kanta akan berinterferensi dengan muka gelombang sinar di sekitarnya dan menjadi muka gelombang aberasi yang berbentuk speris.

Abersi monokromarik terbagi menjadi dua :

a.                   Aberasi defocus

adalah aberasi yang disebabkan karena titik api (en:focal point, foci) tidak terletak pada titik fokus paraksial sperisnya, disebut juga titik santir Gauss (en:Gaussian image point). Defokus, disebut juga wavefront aberration, dimodelkan dengan kesalahan longitudinal gelombang cahaya yang terjadi karena pergeseran titik api ideal pada bidang fokal menuju titik api pengamatan pada sumbu optis, berikut beserta sperisnya (en:radius of curvature) masing-masing yang bersinggungan pada pusat optis kanta. Sinar yang tidak terfokus pada titik api ideal akan merambat menuju bidang fokal secara transversal dan membentuk lingkaran gamang yang kita kenal dengan istilah blur.

Aberasi defokus dapat dikurangi dengan membuat sinar insiden terkolimasi (en:collimated light) dan jarak hiperfokal. Cahaya kurang terkolimasi pada nilai bukaan kecil memperbesar interferensi longitudinal gelombang cahaya yang membias menuju ke titik api, interferensi tersebut akan menimbulkan gelombang cahaya resultan yang dapat jatuh di luar titik api.

b.                   Aberasi kurva medan

adalah sebuah aberasi pada sistem optik yang mempunyai bidang fokal menyerupai lingkaran/kurva. Bayangan yang dibentuk oleh lensa pada layer letaknya tidak dalam satu bidang datar melainkan pada bidang lengkung. Peristiwa ini disebut lengkungan medan atau lengkungan bidang bayangan.

c.    Penerapan Aberasi

Contoh Sifat Aberasi dalam kehidupan sehari-hari

1.    Visus Mata

Visus adalah kemampuan seseorang untuk dapat melihat suatau objek dengan jelas tanpa akomodasi. Dengan kata lain visus adalah suatu bilangan yang menunjukkan ketajaman penglihatan.

Misal :

Visus A                       : 6/40

Artinya                        : si A dapat mengenal huruf tersebut pada jarak 6 m sedangkan orang normal dapat mengenal huruf tersebut pada jarak 40 m.

Untuk menghasilkan detail penglihatan, sistem optik mata harus memproyeksikan gambaran yang fokus pada fovea, sebuah daerah di dalam makula yang memiliki densitas tertinggi akan fotoreseptor konus/kerucut sehingga memiliki resolusi tertinggi dan penglihatan warna terbaik. Ketajaman dan penglihatan warna sekalipun dilakukan oleh sel yang sama, memiliki fungsi fisiologis yang berbeda dan tidak tumpang tindih kecuali dalam hal posisi. Ketajaman dan penglihatan warna dipengaruhi secara bebas oleh masing-masing unsur.

Seperti pada lensa fotografi, ketajaman visus dipengaruhi oleh diameter pupil. Aberasi optik pada mata yang menurunkan tajam penglihatan ada pada titik maksimal jika ukuran pupil berada pada ukuran terbesar (sekitar 8 mm) yang terjadi pada keadaan kurang cahaya. Jika pupil kecil (1-2 mm), ketajaman bayangan akan terbatas pada difraksi cahaya oleh pupil. Antara kedua keadaan ekstrim, diameter pupil yang secara umum terbaik untuk tajam penglihatan normal dan mata yang sehat ada pada kisaran 3 atau 4 mm. Korteks penglihatan adalah bagian dari korteks serebri yang terdapat pada bagian posterior (oksipital) dari otak yang bertanggung-jawab dalam memproses stimuli visual. Bagian tengah 100 dari lapang pandang (sekitar pelebaran dari makula), ditampilkan oleh sedikitnya 60% dari korteks visual/penglihatan. Banyak dari neuron-neuron ini dipercaya terlibat dalam pemrosesan tajam penglihatan.

2.      Kamera yang memanfaatkan sifat aberasi

Lensa fokus halus (soft focus lens) adalah lensa yang memanfaatkan sifat aberasi speris.

Soft focus adalah sebuah efek pada fotografi yang disebabkan oleh blur akibat aberasi speris lensa. Sebuah lensa fokus halus didesain untuk menimbulkan efek blur tersebut namun tetap menjaga ketajaman setiap garis dari subyeknya. Efek soft focus yang ditimbulkan oleh lensa ini tidak sama dengan efek out of focus yang disebabkan posisi subyek di luar bidang fokus.

Contoh lensa fokus lunak adalah Canon EF 135mm f/2,8 with Softfocus dan Pentax SMC 28mm f/2,8 FA Soft Lens. Keduanya dilengkapi dengan sistem pengaturan aberasi speris, jika aberasi speris tersebut dimatikan, lensa akan menghasilkan citra dengan fokus yang tajam seperti lensa lain pada umumnya.

                                 

Gambar : Canon EF 135mm f/2,8 with Softfocus

 

Aplikasi Pemanfaatan Sifat Aberasi

1.                  Menguji kesempurnaan lensa berdasarkan sifat aberasi

Telah dilakukan penelitian tentang perubahan pola frinji akibat ketidaksempurnaan lensa berdasarkan sifat aberasi lensa dengan menggunakan metode interferometer Twyan-Green.

Interferometer Twyman-Green adalah suatu instrumen yang sangat bermanfaat untuk mengukur cacat dalam suatu komponen seperti lensa, prisma, kaca plane-parallel, laser, dan cermin datar, sehingga metode ini telah banyak digunakan di bidang industri optik untuk menguji tingkat kesempuranaan produk-produk yang mereka hasilkan. Lensa akan dikatakan sempurna jika tidak terjadi aberasi, hal ini diperlihatkan dengan adanya pola frinji yang dihasilkan tidak mengalami perubahan bentuk maupun penyimpangan posisi (Hecht, 1990).

Sumber cahaya yang digunakan adalah sinar laser He-Ne dengan panjang gelombang = 632,8 nm dan laser dioda dengan panjang gelombang = 645 nm. Bahan yang digunakan adalah 4 buah lensa cembung yang masing masing mempunyai panjang fokus lensa 18 mm, 48 mm, 50 mm dan 100 mm. Tingkat kesempurnaan lensa dapat dilihat dari penyimpangan pola frinji yang dihasilkan, penyimpangan ini bisa dalam bentuk pola frinji yang dihasilkan maupun dari posisi pola frinji terhadap titik pusat dari berkas sinar.

Dari pengujian yang telah dilakukan terhadap empat lensa cembung diperoleh bahwa semakin besar panjang fokusnya, tingkat kesempurnaannya semakin bagus. Tetapi tingkat kesempurnaan ini tidak bergantung terhadap panjang fokusnya akan tetapi bergantung tingkat kelengkungan dari permukaan lensa karena dengan kelengkungan permukaan lensa yang semakin kecil sifat aberasi sferis lensa semakin kecil pula.

Cara Kerja :

Lensa yang akan diuji diletakkan diantara beam spliter (cermin pembagi sinar) dan movable mirror (cermin yang dapat digeser). Berdasarkan pola frinji yang dihasilkan dari interferensi sinar yang berasal dari adjustable mirror (cermin yang dapat diatur kedudukannya) dan movable mirror akan dapat diketahui tingkat aberasi lensa sehingga tingkat kesempurnaan suatu lensa dapat diketahui. Penelitian ini dibatasi hanya pada pengamatan pola frinji yang dihasilkan sebelum dan sesudah memakai bahan (lensa cembung) menggunakan metode interferometer Twyman-Green. Bahan atau lensa cembung yang digunakan dalam penelitian ini diasumsikan sebagai lensa tipis.

Pengujian pada Lensa Cembung dengan Panjang Fokus 18 mm

Lensa pertama yang diuji adalah lensa cembung dengan panjang fokus sebesar 18 mm dan diameter 20 mm.

Pola frinji yang terbentuk adalah sama seperti pada saat kalibrasi yakni berbentuk cincin, hanya ukurannya lebih kecil dan pola frinjinya tampak seperti sebuah sorotan lampu diatas berkas sinar dan jika dilihat dari posisinya maka ia mengalami penyimpangan kearah kanan atas yang dilihat dari titik fokus berkas sinar, hal ini dapat dilihat pada gambar 4.3(a). Penyimpangan ini terjadi karena lensa mengalami aberasi yang jika dilihat dari gambar yang dihasilkan terjadi pengkaburan dari setiap pola cincin yang ada, aberasi yang terjadi dalam hal ini adalah aberasi sferis (Spherical aberation) yaitu aberasi yang terjadi karena permukaan yang dilalui sinar berbentuk sferis.

menunjukkan ukuran lebar cincin dari pola frinji yang dihasilkan. Jika pada saat kalibrasi menggunakan laser He-Ne menghasilkan pola frinji yang mempunyai lebar cincin untuk terang pertama sekitar 2,7 cm dan gelap pertama sekitar 0,3 cm maka kali ini menghasilkan pola frinji yang mempunyai lebar cincin terang pertama sekitar 0,3 cm dan cincin gelap pertama sekitar 0,1 cm dan diameter keseluruhan pola frinji yang teramati sekitar 1,0 cm. Jadi jika dibandingkan dengan pola frinji pada saat kalibrasi pola frinji ini sangatlah kecil sekali, padahal keduanya diambil pada jarak layar yang sama yaitu 80 cm.

Menunjukkan bentuk pola frinji yang dihasilkan dari pengujian yang dilakukan terhadap lensa cembung dengan panjang fokus sebesar 18 mm menggunakan laser dioda. Pola frinji yang dihasilkan tidak jauh beda dengan pengujian menggunakan laser He-Ne yaitu berbentuk cincin kecil yang timbul diatas berkas sinar terlihat pada gambar 4.4(a). Dari gambar tersebut terlihat pula terjadi penyimpangan posisi pola frinji yang timbul, jika pengujian sebelumnya penyimpangan terjadi pada bagian kanan atas berkas maka pada pengujian kali ini terdapat pada bagian kanan dari berkas. Hal ini karena aberasi sferis (penyimpangan sinar akibat permukaan melengkung) yang terjadi berbeda untuk sinar yang berbeda, aberasi ini juga tampak terjadi jika dilihat dari gambar 4.4(b) yaitu pola frinji yang terjadi mengalami pengikisan pada setiap pola cincin yang dihasilkan.

Pengujian lensa menggunakan laser dioda maupun laser He-Ne, ternyata jika dilihat dari ukuran besar kecilnya pola frinji yang dihasilkan akan menghasilkan pola dengan ukuran yang sama yaitu terang pertama mempunyai diameter cincin sebesar 0,3 cm dan lebar cincin gelap pertama sekitar 0,1 cm, akan tetapi keseluruhan pola frinji yang teramati dengan menggunakan laser dioda mempunyai lebar diameter yang lebih besar jika dibandingkan dengan pengujian menggunakan laser He-Ne walaupun pengamatan dilakukan pada jarak yang sama.

Posted in: Kuliah