ALAT OPTIK

A.  TUJUAN

·         Ingin mengetahui apa yang dimaksud dengan alat optik.

·         Ingin mengetahui apa saja yang termasuk alat optik.

B. BAHAN AJAR

a)      PENGERTIAN ALAT OPTIK

Benda optik/alat optik adalah benda yang menggunakan lensa optik untuk melakukan fungsinya dalam membantu kegiatan tertentu. Lensa optik bisa terbuat dari bahan kaca, plastik, fiber, dan lain sebagainya. Berikut di bawah ini merupakan arti definisi / pengertian dari beberapa benda / alat optik yang sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari

Alat optik adalah alat-alat yang salah satu atau lebih komponennya menggunakan benda optik, seperti: cermin, lensa, serat optik atau prisma.

b)     ALAT OPTIK

1.      Mata

Mata merupakan alat optik alamiah, ciptaan Tuhan yang sangat berharga. Mata merupakan salah satu contoh alat optik, karena dalam pemakaiannya mata membutuhkan berbagai benda-benda optik seperti lensa.

Diagram sederhana mata manusia adalah seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1(a). Bagian depan mata yang memiliki lengkung lebih tajam dan dilapisi selaput cahaya disebut kornea. Tepat di belakang kornea terdapat cairan (aquaeous humor). Cairan ini berfungsi untuk membiaskan cahaya yang masuk ke mata. Intensitas cahaya yang masuk ke mata diatur oleh pupil, yakni celah lingkaran yang dibentuk oleh iris. Iris sendiri merupakan selaput yang selain berfungsi membentuk pupil, juga berfungsi sebagai pemberi warna pada mata (hitam, biru, atau coklat). Setelah melewati pupil, cahaya masuk ke lensa mata. Lensa mata ini berfungsi untuk membentuk bayangan nyata sedemikian sehingga jatuh tepat di retina. Bayangan yang ditangkap retina bersifat nyata dan terbalik.

Gambar 1. (a) Diagram sederhana mata manusia. (b) Lensa mata membentuk bayangan nyata dan terbalik di retina.

Bayangan ini kemudian disampaikan ke otak melalui syaraf optik dan diatur sehingga manusia mendapatkan kesan melihat benda dalam kondisi tegak. Proses pembentukan bayangan pada mata diilustrasikan pada Gambar 1(b).

2.      Kacamata

Kacamata merupakan salah satu alat yang dapat digunakan untuk mengatasi cacat mata. Kacamata terdiri dari lensa cekung atau lensa cembung, dan frame atau kerangka tempat lensa berada, seperti yang dapat Anda lihat pada Gambar 5. Fungsi dari kacamata adalah mengatur supaya bayangan benda yang tidak dapat dilihat dengan jelas oleh mata menjadi jatuh di titik dekat atau di titik jauh mata, bergantung pada jenis cacat matanya. Di SMP, Anda telah mempelajari bahwa jika sebuah benda berada di depan sebuah lensa, bayangan akan dibentuk oleh lensa tersebut. Jauh dekatnya bayangan terhadap lensa, bergantung pada letak benda dan jarak fokus lensa.

Gambar 5. Kacamata dapat membantu orang yang cacat mata.

Hubungan tersebut secara matematis dapat ditulis sebagai berikut :  

                                                                                         (1-1)

dengan :

S = jarak benda ke lensa (m),

S' = jarak bayangan ke lensa (m), dan

f = jarak fokus lensa (m).

Selain itu, Anda juga pernah mempelajari kekuatan atau daya lensa. Kekuatan atau daya lensa adalah kemampuan lensa untuk memfokuskan sinar yang datang sejajar dengan lensa. Hubungan antara daya lensa dan kekuatan lensa memenuhi persamaan :

P = 1 / f                                                                                                             (1-2)

dengan :

P = kekuatan atau daya lensa (dioptri), dan

f = jarak fokus lensa (m).

a.       Kacamata Berlensa Cekung untuk Miopi

Seperti telah dibahas sebelumnya, mata miopi tidak dapat melihat dengan jelas benda-benda yang jauh atau titik jauhnya terbatas pada jarak tertentu. Lensa kacamata yang digunakan penderita miopi harus membentuk bayangan benda-benda jauh (S ~ ) tepat di titik jauh mata atau S' = –PR, dengan PR singkatan dari punctum remotum, yang artinya titik jauh. Tanda negatif pada S' diberikan karena bayangan yang dibentuk lensa kacamata berada di depan lensa tersebut atau bersifat maya. Jika nilai S dan S' tersebut Anda masukkan ke dalam Persamaan (1–1), diperoleh :                                       

                                                         (1-3)

Persamaan (1–3) menunjukkan bahwa jarak fokus lensa kacamata adalah negatif dari titik jauh mata miopi. Tanda negatif menunjukkan bahwa keterbatasan pandang mata miopi perlu diatasi oleh kacamata berlensa\negatif (cekung atau divergen).

Gambar 6. Bayangan benda jauh yang dibentuk lensa untuk miopi harus jatuh di titik jauh mata.

Jika Persamaan (1–3) dimasukkan ke dalam Persamaan (1–2), diperoleh :                              

                                                                   (1-4)

dengan PR dinyatakan dalam satuan m (meter) dan P dalam dioptri.

Contoh Soal 1 :

Seseorang hanya mampu melihat benda dengan jelas paling jauh pada jarak 2 m dari matanya. Berapakah kekuatan lensa kacamata yang diperlukannya?

Kunci Jawaban :

Diketahui: titik jauh PR = 2 m, maka sesuai dengan Persamaan (6–4), kekuatan lensa kacamatanya adalah :

 

b.         Kacamata Berlensa Cembung untuk Hipermetropi

Karena hipermetropi tidak dapat melihat benda-benda dekat dengan jelas, lensa kacamata yang digunakannya haruslah lensa yang dapat membentuk bayangan benda-benda dekat tepat di titik dekat matanya. Benda-benda dekat yang dimaksud yang memiliki jarak 25 cm di depan mata. Oleh karena itu, lensa kacamata harus membentuk bayangan benda pada jarak S = 25 cm tepat di titik dekat (PP, punctum proximum) atau S' = –PP. Kembali tanda negatif diberikan pada S' karena bayangannya bersifat maya atau di depan lensa.

Jika nilai S dan S' ini dimasukkan ke dalam Persamaan (1–1) dan (1–2), diperoleh :

dengan PP dinyatakan dalam satuan meter (m) dan P dalam dioptri. Karena PP > 0,25 m, kekuatan lensa P akan selalu positif. Hal ini menunjukkan bahwa seseorang yang bermata hipermetropi perlu ditolong oleh kacamata berlensa positif (cembung atau konvergen).

c.       Kacamata untuk Presbiopi dan Astigmatisma

Penderita presbiopi merupakan gabungan dari miopi dan hipermetropi. Oleh karena itu, kaca mata yang digunakannya haruslah berlensa rangkap atau bifokal, yakni lensa cekung pada bagian atas untuk melihat benda jauh dan lensa cembung pada bagian bawah untuk melihat benda-benda dekat. Sementara itu, astigmatisma dapat diatasi dengan menggunakan lensa silindris. 

d.      Lensa Kontak

Lensa kontak atau contact lens juga dapat digunakan untuk mengatasi cacat mata. Pada dasarnya lensa kontak adalah kacamata juga, hanya tidak menggunakan rangka, melainkan ditempelkan langsung ke kornea mata.

3.      Kamera

Kamera merupakan alat optik yang menyerupai mata. Elemen-elemen dasar lensa adalah sebuah lensa cembung, celah diafragma, dan film (pelat sensitif). Lensa cembung berfungsi untuk membentuk bayangan benda, celah diafragma berfungsi untuk mengatur intensitas cahaya yang masuk, dan film berfungsi untuk menangkap bayangan yang dibentuk lensa. Film terbuat dari bahan yang mengandung zat kimia yang sensitif terhadap cahaya (berubah ketika cahaya mengenai bahan tersebut). Pada mata, ketiga elemen dasar ini menyerupai lensa mata (lensa cembung), iris (celah diafragma), dan retina (film).

Prinsip kerja kamera secara umum sebagai berikut. Objek yang hendak difoto harus berada di depan lensa. Ketika diafragma dibuka, cahaya yang melewati objek masuk melalui celah diafragma menuju lensa mata. Lensa mata akan membentuk bayangan benda. Supaya bayangan benda tepat jatuh pada film dengan jelas maka letak lensa harus digeser-geser mendekati atau menjauhi film. Mengeser-geser lensa pada kamera, seperti mengatur jarak fokus lensa pada mata (akomodasi). Diagram pembentukan bayangan pada kamera ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 7. Diagram pembentukan bayangan pada kamera.

4.    Lup

Lup atau kaca pembesar (atau sebagian orang menyebutnya suryakanta) adalah lensa cembung yang difungsikan untuk melihat benda-benda kecil sehingga tampak lebih jelas dan besar, seperti tampak pada Gambar 8.

Gambar 8. Lup digunakan untuk melihat objek-objek kecil agar tampak besar dan jelas.

Penggunaan lup sebagai kaca pembesar bermula dari kenyataan bahwa objek yang ukurannya sama akan terlihat berbeda oleh mata ketika jaraknya ke mata berbeda. Semakin dekat ke mata, semakin besar objek tersebut dapat dilihat. Sebaliknya, semakin jauh ke mata, semakin kecil objek tersebut dapat dilihat. Sebagai contoh, sebuah pensil ketika dilihat pada jarak 25 cm akan tampak dua kali lebih besar daripada ketika dilihat pada jarak 50 cm. Hal ini terjadi karena sudut pandang mata terhadap objek yang berada pada jarak 25 cm dua kali dari objek yang berjarak 50 cm.

Untuk menentukan perbesaran sudut lup, perhatikan Gambar 9. Sudut pandangan mata ketika objek yang dilihat berada pada jarak Sn, yakni titik dekat mata, diperlihatkan pada Gambar 9(a), sedangkan sudut pandangan mata ketika menggunakan lup diperlihatkan pada Gambar 9(b).

Gambar 9. Menentukan perbesaran lup (a) sudut pandang mata tanpa menggunakan lup. (b) saat menggunakan lup.

Perbesaran sudut lup secara matematis didefinisikan sebagai :

                                                                                              (1-6)

Dari Gambar 9. diperoleh bahwa :

                          dan              
       

Untuk sudut-sudut yang sangat kecil berlaku :

                 dan,          
   

Jika persamaan terakhir dimasukkan ke Persamaan (1–6), perbesaran sudut lup dapat ditulis menjadi :

                                                                                   (1-7)

dengan :

S_n= titik dekat mata (25 cm untuk mata normal), dan

S = letak objek di depan lup.

Perlu dicatat bahwa objek yang akan dilihat menggunakan lup harus diletakkan di depan lup pada jarak yang lebih kecil daripada jarak fokus lup atau S ≤ f (f = jarak fokus lup). Ketika objek diletakkan di titik fokus lup, S = f, bayangan yang dibentuk lup berada di tak terhingga, S' = −∞ . Ketika bayangan atau objek berada di tak terhingga, mata dalam keadaan tanpa akomodasi. Jika S = f dimasukkan ke Persamaan (6–7), diperoleh perbesaran sudut lup untuk mata tanpa akomodasi, yaitu :

                                             (1-8)

Persamaan (1–8) menunjukkan bahwa semakin kecil jarak fokus lup, semakin besar perbesaran sudut lup tersebut. Apabila mata berakomodasi maksimum mengamati bayangan dengan menggunakan lup, bayangan tersebut akan berada di titik dekat mata atau S' = –Sn (tanda negatif karena bayangannya maya). Sesuai dengan Persamaan (1–1) diperoleh :

                 atau,                 

Berdasarkan hasil tersebut, Persamaan (1–7) menjadi :

sehingga diperoleh perbesaran sudut ketika mata berakomodasi maksimum,yaitu :

                                                                               (1-9)

5.      Mikroskop

Sebuah mikroskop terdiri atas susunan dua buah lensa positif. Lensa yang berhadapan langsung dengan objek yang diamati disebut lensa objektif. Sementara itu, lensa tempat mata mengamati bayangan disebut lensa okuler. Fungsi lensa okuler ini sama dengan lup. Salah satu bentuk sebuah mikroskop diperlihatkan pada

Gambar 10. Mikroskop digunakan dalam melihat benda-benda kecil yang sulit dilihat oleh mata

 Fungsi mikroskop mirip dengan lup, yakni untuk melihat objek-objek kecil. Akan tetapi, mikroskop dapat digunakan untuk melihat objek yang jauh lebih kecil lagi karena perbesaran yang dihasilkannya lebih berlipat ganda dibandingkan dengan lup. Pada mikroskop, objek yang akan diamati harus diletakkan di depan lensa objektif pada jarak antara fob dan 2fob sehingga bayangannya akan terbentuk pada jarak lebih besar dari 2f_ob di belakang lensa objektif dengan sifat nyata dan terbalik. Bayangan pada lensa objektif dipandang sebagai objek oleh lensa okuler dan terbentuklah bayangan pada lensa okuler. Agar bayangan pada lensa okuler dapat dilihat atau diamati oleh mata, bayangan ini harus berada di depan lensa okuler dan bersifat maya. Hal ini dapat terjadi jika bayangan pada lensa objektif jatuh pada jarak kurang dari fok dari lensa okuler. Proses terbentuknya bayangan pada mikroskop, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 11. Pada Gambar 11 terlihat bahwa bayangan akhir yang dibentuk oleh mikroskop bersifat maya, terbalik, dan diperbesar.

Gambar 11. Diagram pembentukan bayangan pada mikroskop.

Jarak antara lensa objektif dan lensa okuler menentukan panjang pendeknya sebuah mikroskop. Seperti dapat Anda lihat pada Gambar 11, panjang mikroskop atau jarak antara lensa objektif dan lensa okuler sama dengan jarak bayangan objektif ke lensa objektif ditambah jarak bayangan objektif tadi ke lensa okuler atau secara matematis dituliskan :

                                                                                (1-10)

dengan :

d = panjang mikroskop,

S'_ob = jarak bayangan lensa objektif ke lensa objektif, dan

S_ok = jarak bayangan objektif ke lensa okuler.

Perbesaran total yang dihasilkan mikroskop merupakan perkalian antara perbesaran yang dihasilkan oleh lensa objektif dan perbesaran sudut yang dihasilkan oleh lensa okuler. Secara matematis, perbesaran total yang dihasilkan mikroskop ditulis sebagai berikut.                                                                                   (1-11)

dengan :

M    = perbesaran total yang dihasilkan mikroskop

M_ob = perbesaran yang dihasilkan lensa objektif, dan

M_ok = perbesaran sudut yang dihasilkan lensa okuler.

Perbesaran yang dihasilkan oleh lensa objektif memenuhi :

                                                                        (1-12)

sedangkan perbesaran sudut yang dihasilkan lensa okuler mirip dengan perbesaran sudut lup, yakni, untuk pengamatan tanpa akomodasi :

                                                                                        (1-13)

dan untuk pengamatan dengan berakomodasi maksimum :

                                                                                   (1-14)

dengan f_ok = panjang fokus lensa okuler.

6.      Teropong

Teropong atau teleskop merupakan alat optik yang digunakan untuk melihat objek-objek yang sangat jauh agar tampak lebih dekat dan jelas. Benda-benda langit, seperti bulan, planet, dan bintang dapat diamati dengan bantuan teropong. Dengan adanya teropong, banyak hal-hal yang berkaitan dengan luar angkasa telah ditemukan. Bagaimana proses terlihatnya bintang menggunakan teropong? Dan tahukah Anda jenis-jenis teropong yang digunakan untuk melihat benda jauh?

Gambar 12. Teropong.

Secara umum ada dua jenis teropong, yaitu teropong bias dan teropong pantul. Perbedaan antara keduanya terletak pada objektifnya. Pada teropong bias, objektifnya menggunakan lensa, yakni lensa objektif, sedangkan pada teropong pantul objektifnya menggunakan cermin

a.       Teropong Bintang

Teropong bintang menggunakan dua lensa cembung, masing-masing sebagai lensa objektif dan lensa okuler dengan jarak fokus objektif lebih besar daripada jarak fokus okuler ( f_ob > f_ok).  Diagram sinar pembentukan bayangan pada teropong untuk mata tak terakomodasi sebagai berikut:

Gambar 13. Pembentukan bayangan menggunakan teropong bintang.

Perbesaran sudut dan panjang teropong bintang memenuhi persamaan-persamaan sebagai berikut:

(1) Untuk mata tak terakomodasi

                                                    (1-15)

(2) Untuk mata berakomodasi maksimum (S'_ok = –S_n)

                                                 (1-16)

b.      Teropong Bumi

Teropong bumi menggunakan tiga jenis lensa cembung. Lensa yang berada di antara lensa objektif dan lensa okuler berfungsi sebagai lensa pembalik, yakni untuk pembalik bayangan yang dibentuk oleh lensa objektif. Diagram sinar pembentukan bayangan pada teropong bumi mata tak berakomodasi sebagai berikut:

Gambar 14. Pembentukan bayangan menggunakan teropong Bumi.

Perbesaran dan panjang teropong bumi untuk mata tak berakomodasi berturut-turut memenuhi persamaan:

                                      (1-17)

dengan f_p = jarak fokus lensa pembalik.

c.       Teropong Panggung

Teropong panggung atau teropong Galileo menggunakan sebuah lensa cembung sebagai objektif dan sebuah lensa cekung sebagai okuler. Diagram sinar pembentukan bayangan pada teropong panggung sebagai berikut:

Gambar 15. Pembentukan bayangan pada teropong panggung.

Perbesaran dan panjang teropong panggung untuk mata tak berakomodasi berturut-turut memenuhi persamaan : 

       (1-18)

Oleh karena lensa okulernya adalah lensa cekung maka f_ok bertanda negatif.

              Referensi :

Saripudin, A., D. Rustiawan K., dan A. Suganda. 2009. Praktis Belajar Fisika 1 : untuk Kelas 10 Sekolah Menengah Atas / Madrasah Aliyah Program Ilmu Pengetahuan Alam. Pusat Perbukuan Departemen Nasional, Departemen Pendidikan Nasional, Jakarta. 194 hlm.