Optical instrumentation system. Form report file, contact me directly

1. Optical Measurement System
Oleh :
Nurhayati Rahayu (23814305)
Amimah Halawati (23815003)
Febriand Hasibuan (23812007)

2. Pendahuluan
Berkas cahaya adalah gelombang listrik dan
magnet yang merambat atau gelombang
elektromagnetik.
Optik adalah ilmu yang mempelajari tentang
cahaya tampak dan merupakan cabang dari
elektromagnetik. Fenomena listrik dan magnet
adalah dasar dari optik.
Alat optik adalah alat yang bekerja berdasarkan
sifat-sifat optik, seperti refleksi, refraksi, difraksi,
interferensi, dan polarisasi. Alat optik terdiri dari
alat optik alamiah dan alat optik buatan. Alat
alamiah misalnya mata, sedangkan alat optik
buatan seperti kacamata, lup, mikroskop, teleskop,
kamera, proyektor, dll.
Mekanismisme Optik alami dan buatan

3. Sifat – sifat Optik[1]
Refleksi (pemantulan) adalah sifat cahaya yang
memantul pada bidang datar
Refraksi (pembiasan/dibelokkan) adalah gejala
pembelokan gelombang cahaya karena cahaya yang
melewati dua medium (kaca dan udara) yang
berbeda sehingga terjadi perbedaan indeks bias.
Refleksi Optik Refraksi Optik

4. Sifat – sifat Optik[2]
Difraksi (pelenturan/pembelokan) adalah gejala
pembelokan gelombang cahaya karena melalui celah
sempit
Pembelokan dari celah lebar dan
sempitv
Difraksi Celah Tunggal
Interferensi (perpaduan) adalah sifat cahaya yang
dapat diamati ketika perbedaan gelombang cahaya
dicampur bersamaan
Interferensi
Perpaduan gelombang cahaya

5. Sifat – sifat Optik[3]
Polarisasi adalah peristiwa perubahan arah getar gelombang pada cahaya yang diacak menjadi satu
arah getar.
Polarisasi Circular
Polarisasi Linear
Polarisasi EllipticalFilter Polarisasi
Gelombang asli

6. Tipe Sistem [1]
Gelombang cahaya radiasi meliputi :
 Ultraviolet : 0.01 - 0.4 µm
 Visible : 0.4 - 0.7 µm
 Infrared : 0.7 - 100 µm
 Keuntungan tipe ini :
 No electromagnetic coupling to external
interference voltages.
 No electrical interference due to multiple earths.
 Greater safety in the presence of explosive
atmospheres.
 Greater compatibility with optical communication
systems.
 Optical fibres may be placed close together
without crosstalk.
Tipe pengukuran optik : Fixed source, variable transmisson medium
Dimana :
𝑆(𝜆) = source varies
𝐷(𝜆) = detector response
𝑇(𝜆) = transmission medium
𝐾 𝐷 = Sensitivity of detector output
𝐾 𝑀𝐷 = geometrical coupling of the medium to the
detector
𝐾𝑆𝑀 = geometrical coupling of the source to the
transmission medium

7. Tipe Sistem [2]
Tipe pengukuran optik : Fixed source, variable transmisson medium
Dimana :
𝑆(𝜆) = source varies
𝐷(𝜆) = detector response
𝑇(𝜆) = transmission medium
𝐹(𝜆) = characteristic of the focusing system
𝐾 𝐷 = Sensitivity of detector output
𝐾𝐹 = effisiency of coupling the source to the
detector

8. Spektrum Gelombang Elektromagnetik
 Gelombang elektromagnet terjadi
akibat medan magnet atau medan listrik
yang berubah terhadap waktu
gelombang elektromagnet yang
ipancarkan oleh sumber akan merambat
ke segala arah oleh karenanya akan
membentuk muka gelombang
berbentuk tertutup
 Muka gelombang merupakan tempat
kedudukan titik-titik dengan fase yang
sama seperti terlihat pada gambar
diatas. Dari peburunan persamaan
Maxwell dapat diketahui cepat rambat
gelombang elektromagnetik hanya
bergantung pada sifat kemagnetan dan
kelistrikan median
Gelombang electromagnet mempunyai spektrum yang
sangat luas seperti terlihat bawah ini
Gambar Spektrum Tampak PadaGelombang electromagnet
Propertis daerah gelombang tampak bagi manusia :
Wavelength : 380 – 750 nm
Frequency : (3.75 - 7.5) x 1014
Hz
Broadcast band : AM (106 Hz), FM (108 Hz)
Foton Energi : 2 eV

9. Sumber Cahaya
Tentang Cahaya
Cahaya selain sebagai gelombang, cahaya juga
merupakan partikel (foton) memiliki beberapa
propertis berikut ini :
 Cahaya dengan intensitas tinggi memiliki jumlah
foton yang banyak
 Tidak memperbesar energi kinetik setiap foton
 Energi kinetik yang diperoleh elektron dari
tumbukan dengan foton tidak berubah E = hf
 Stopping potensial yang selalu sama pada efek
fotoelektrik dapat diterangkan dengan
menganggap cahaya adalah partikel.
Gambar Spektrum Variasi pada Sumber Cahaya
Energi foton :
𝐸 = ℎ𝑓 = ℎ
𝑐
𝜆
=
𝑐ℎ
𝑓
Dimana :
Konstanta Plank :
ℎ = 6,63 𝑥 10−34
𝐽. 𝑠 = 4,14 𝑥10−15
𝑒𝑉. 𝑠
Ch = 1240 eV/nm

10. Spektrum Warna [1]
Cahaya tampak adalah bagian dari spektrum
gelombang elektromagnetik yang dapat ditangkap
oleh mata normal manusia dan mempunyai penjang
gelombang diantara 4000-7000 A. A adalah singkatan
dari Angstrom yakni 1010m mata manusia mempunyai
sensitivitas tertentu terhadap gelombang cahaya
Sensitivitas mata relative dari seorang pengamat
standard memperhatikan pusat daerah tampak kira-
kira 5550 A (sensasi pada wana kuning dan hijau).
Gambar sensitivitas mata manusia
Gambar Pembagian Spektrum Warna

11. Spektrum Warna [2]
Spektrum cahaya yang dipancarkan oleh benda-benda
(Emisi
Adalah cair, padat, gas) dalam keadaan menyala
Spektrum Emisi kontinu
Adalah spektrum emisi yang dapat memancarkan
cahayanya tidak terdapat garis-garis hitanm. Spektrum
demikian tidak usah mengandung warna yang lengkap
merah sampai dengan ungu cukup beberapa warna saja
Spektrum Emisi Diskontinu
Spektrum emisi diskontinu adalah spektrum emisi yang
pada saat menyalanya terdapat garis atau pita hitam
yang bukan pada penyerapan
Spektrum absopsi
Apabila cahaya putih masuk melalui zat terjadi
penyerapan salah satu atau beberapa warnanya.
Gambar Pembagian Spektrum Warna

12. Sifat Cahaya dan Gelombang Energi
cahaya marambat melalui medium untuk
menjelaskan cahaya dapat mengalir melalui ruang
hampa maka dibuat hypotesa bahwa diseluruh
ruangan terdapat medium
C = λ* f
Dimana :
C = Cepat rambat
λ = Panjang gelombang
f = Frekwensi ( Hz atau cps )
Gelombang adalah rambatan energi atau energi
yang merambat dari satu tempat ke tempat lain.
𝑉 =
𝜆
𝑇
= 𝜆𝑓
Dimana:
Perioda (T) : waktu yang diperlukan untuk satu
gelombang penuh.
Frekwensi (f) : jumlah getaran yang dihasilkan per
detik (f=1/T).
Panjang gelombang (λ) : jarak yang ditempuh
gelombang dalam satu periode.
Amplitudo (A) : simpangan maksimum dari
gelombang.
Kecepatan (V) : jarak yang ditempuh gelombang
dalam tiap satuan waktu.

13. Perambatan Gelombang Elektromagnetik
Ciri-ciri gelombang datar :
 Medan listrik E dan medn magnetik B selalu
tegak lurus terhadap arah perambatan
gelombang, dsb gelombang transversal.
 Medan listrik selalu tegak lurus terhadap medan
magnetik.
 Perkalian silang
Gambar Susunan Penghasil Gelombang Elektromagnetik
Gambar Gelombang Datar
Pembatasan terdapat pada daerah spektrum
(panjang gelombang 𝜆 ≈ 1 𝑚, dimana sumber
radiasi (gelombang yang dipancarkan adalah
makroskopik dan dimensinya dapat diatur

14. Sumber [1]
15.2.1.Prinsip
Intensitas sebuah sumber dinyatakan dalam fungsi eksitansi spektral 𝑆 λ yang didefiniskan sebagai
berikut :
“Banyaknya energi per detik yang diemisikan dari 1 𝑐𝑚2
area sumber yang diproyeksikan The
amount of energy per second emitted from 1 cm2 of the projected area of menjadi satu satuan
sudut antara panjang gelombang λ dan λ + Δλ adalah 𝑆 λ Δλ.”
Dimana :
• 𝑆(λ) adalah daya yang diemisikan setiap satuan panjang gelombang pada λ.
• 0
∞
𝑆 λ Δλ adalah daya yang diemisikan pada semua panjang gelombang. Persamaan ini
dinyatakan dalam istilah radiansi dari sumber R, dimana :
• Intensitas radiasi :

15. Sumber [2]
15.2.1.Prinsip

16. Sumber [3]
• Daya insiden pada AB adalah :
• Daya insiden pada XY adalah :
15.2.1.Prinsip
Dimana :
• Area yang diproyeksikan pada permukaan
emisi pada sudut 𝜃 relatif terhadap normal
adalah 𝐴 𝑠 cos 𝜃 . Intensitas radian yang mewakili
sumber saat dilihat pada sudut 𝜃 adalah :
• Sudut solid (seperti pada gambar 15.3) yang
dibentuk oleh setiap elemen pada sumber
adalah :

17. Sumber [4]
15.2.2.Hot Body Sources
 Emitter radiasi ideal biasanya dikenal dengan istilah benda hitam (black body).
 Dari hukum Planck tentang radiasi benda hitam, eksitansi spektral dari radiasi
oleh b
 Benda hitam pada temperatur T K adalah :
dimana :
λ = panjang gelombang dalam μ𝑚,
𝐶1 = 37.413 W 𝜇𝑚4
𝑐𝑚−2
𝐶2 = 14388 W 𝜇𝑚 𝐾.

18. Gambar 15.4. menunjukkan plot aproksimasi dari
𝑊 𝐵𝐵
λ, 𝑇 terhadap λ untuk beberapa variasi nilai
T.
Yang harus dicatat
1. 𝑊 𝐵𝐵 λ, 𝑇 : daya yang diemisikan per satuan
panjang gelombang pada λ
𝑊 𝐵𝐵
λ, 𝑇 Δλ : day yang diemisikan antara
panjang gelombang λ dan λ + Δλ
0
∞
𝑊 𝐵𝐵 λ, 𝑇 𝑑λ : total daya 𝑊 𝐵𝐵 yang diemisikan
pada semua panjang gelombang, pada
temperatur T.
𝑊𝑇𝑂𝑇 adalah area total di bawah kurva
𝑊 𝐵𝐵
λ, 𝑇 Δλ pada temperatur T.
Sumber [5]
15.2.2.Hot Body Sources

19. Sumber [6]
15.2.2.Hot Body Sources
Dimana 𝜎 = 5.67 𝑥 10−12 𝑊𝑐𝑚−2 𝐾−4 (konstanta
Stefan Boltzmann)
Panjang gelombang λ 𝑃 dimana 𝑊 𝐵𝐵
λ, 𝑇 memiliki
nilai maksimum menurun seiring kenaikan
temperatur T berdasarkan persamaan :
Maka jika T = 300 K, λ 𝑃 ≈ 100 𝜇𝑚, kebanyakan
daya radiasi adalah inframerah. Namun pada T =
6000 K, λ 𝑃 = 0.5 𝜇𝑚 dan kebanyakan daya radiasi
terletak pada area cahaya tampak.
Emissivity =
𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑡 λ,𝑇
𝑏𝑙𝑎𝑐𝑘 𝑏𝑜𝑑𝑦 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑡 λ,𝑇
𝑆 λ, 𝑇 = 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑜𝑢𝑠 𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡𝑟𝑎𝑙 𝑒𝑥𝑖𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒

20. Sumber [7]
15.2.3. Light-Emitting-Diode (LED) sources
 LED terbuat dari p-type dan n-type
semikonduktor yang membentuk hubungan pn-
junctions.
 Contoh LED : gallium arsenide phosphide
(GaAsP) yang mengemisikan sinar merah (λ =
0.655 μm) dan gallium phosphide yang
mengemisikan sinar hijau (λ = 0.560 μm).
 Sumber LED inframerah biasanya digunakan
untuk keperluan transmisi fiber optik.
 LED dari campuran gallium aluminium arsenide
(GaAlAs) mengemisikan radiasi dengan λ berkisar
0.8 hingga 0.9 μm, sementara indium gallium
arsenide phosphide (InGaAsP) mengemisikan
radiasi dengan λ berkisar 1.3 hingga 1.6 μm.

21. Sumber [8]
15.2.4. LASER sources
 Medium LASER bisa berupa gas, cairan
maupun padatan (semikonduktor).
 Keadaan dasar medium memiliki energi 𝐸1
dan keadaan tereksitasi 𝐸2. Transisi antara
kedua keadaan ini melibatkan penyerapan
maupun emisi energi yang dinyatakan dalam
persamaan :
Dimana ℎ adalah konstanta Planck dan 𝑓 adalah
frekuensi radiasi.

22.  Ada dua macam emisi pada LASER yang
terjadi, yaitu emisi spontan (spontaneous
emission) dan emisi terstimulasi (stimulated
emission).
 Emisi spontan : emisi yang terjadi saat
elektron berpindah dari keadaan tereksitasi ke
keadaan dasar dengan mengemisikan foton
berenergi ℎ𝑓.
 Emisi terstimulasi : emisi yang terjadi saat
foton yang dihasilkan dari emisi spontan
menyebabkan elektron lain ikut berpindah ke
keadaan dasar dan turut serta menghasilkan
foton kedua, dan seterusnya.
 Aktivitas ini menghasilkan berkas sinar
koheren.
Sumber [8]
15.2.4. LASER sources

23. Semiconductor injection laser diodes (ILDs)
digunakan bersama jaringan fiber optik. Material
yang digunakan adalah GaAlAs dan InGaAsP
sebagai LED, namun memberikan berkas sinar
yang lebih sempit dan rentang panjang
gelombang yang lebih kecil. Perancangan ILD
biasa ditunjukkan pada gambar 15.7 (c).
Sumber [8]
15.2.4. LASER sources