Peralatan Optik

Peralatan Optik

Penerapan penggunaan cermin dan lensa dapat kita jumpai pada peralatan optik. Berikut ini akan dibahas beberapa perlatan optik yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari, yaitu mata, lup, kamera, mikroskop dan teropong.

1.    Mata

Peralatan optik yang pertama (dan terbaik) yang akan dibahas yaitu mata. Mata terdiri dari beberapa bagian dengan memiliki fungsinya masing-masing. Gambar di bawah ini menunjukkan bagian-bagian dari mata.

Berdasarkan gambar, kita lihat mata terdiri dari bagian-bagian, yang dijelaskan sebagai berikut

1. Kornea. Bagian ini merupakan lapisan terluar mata berupa selaput tipis, fungsinya menerima dan meneruskan cahaya yang masuk ke mata.
2. Pupil. Merupakan celah yang berfungsi sebagai tempat masuknya cahaya ke mata.
3. Iris. Iris adalah selaput yang fungsinya mengatur ukuran celah pupil, serta memberikan warna pada mata.
4. Aqueus humor. Bagian ini berupa cairan yang berfungsi membiaskan cahaya yang masuk ke mata.
5. Lensa mata/lensa kristalin. Fungsinya yaitu mengatur pembiasan yang disebabkan oleh cairan aqueous humor, serta meneruskan pembiasan cahaya.
6. Viteous humor. Bagian ini juga merupakan cairan yang fungsinya meneruskan cahaya dari lensa ke retina.
7. Retina. Pada mata, retina berfungsi sebagai layar tempat pembentukan bayangan benda.
8. Syaraf optik. Bagian ini yang akan mengantarkan rangsangan bayangan yang terbentuk oleh retina ke otak.

Dari gambar serta penjelasan fungsi dari bagian-bagian mata, maka dapat disimpulkan bahwa mata merupakan peralatan optik yang sangat kompleks. Cahaya yang masuk mengalami lima kali pembiasan, yaitu oleh udara, kornea, aquoeus humor, lensa mata dan vitreous humor. Meskipun begitu, peristiwa pembiasan oleh lensa mata merupakan yang paling penting. Ukuran mata selalu tetap, sehingga jarak lensa ke retina (jarak bayangan) nilaianya selalu tetap. Padahal, menurut prinsip pembiasan yang sudah dibahas sebelumnya jarak benda ke lensa akan mempengaruhi jarak bayangan. Oleh karena itu, yang bersifat fleksibel di sini adalah fokus lensa. Sifat fleksibilitas lensa diwujudkan dalam kemampuannya untuk menebal dan menipis yang disebut kemampuan akomodasi. Saat melihat benda jauh, mata akan menipis dan disebut dengan istilah mata tidak berakomodasi. Sedangkan sebaliknya, saat mata melihat benda yang jaraknya dekat, mata akan menebal dan mengalami akomodasi maksimum.

Dengan kemampuannya dalam berakomodasi, mata dapat digunakan untuk melihat dengan jelas benda yang dekat maupun benda yang jauh. Namun, daya akomodasi tersebut ada batas ke kemampuannya, yang disebut dengan istilah titik dekat dan titik jauh.

Titik dekat yaitu titik paling dekat ke mata di mana suatu benda dapat diletakkan dan masih menghasilkan bayangan yang jelas saat mata berakomodasi maksimum. Jarak titik dekat pada mata normal yaitu sekitar 25 cm, jika diletakkan pada jarak yang lebih dekat, bayangan yang terbentuk menjadi kurang jelas. Titik dekat mata disebut juga dengan istilah punctum proximum (PP).

Adapun titik jauh, yaitu jarak paling jauh suatu benda dari mata yang tidak berakomodasi sehingga masih mampu dihasilkan bayangan yang fokus dari benda. Pada mata normal, titik jauh yang dimiliki yaitu hingga jarak tak terhingga. Itilah lain dari titik jauh mata adalah punctum remotum (PR).

Mata yang normal memiliki titik jauh pada jarak tak terhingga dan titik dekat pada jarak 25 cm. Sedangkan orang yang matanya memiliki titik jauh dan titik dekat di luar nilai tersebut dikatakan memiliki cacat mata. Berikut ini beberapa jenis cacat mata yang sering dialami yaitu, rabun jauh (miopi), rabun dekat (hipermetropi), mata tua (presbiopi), astigmatisma dan katarak.

a.    Rabun jauh (miopi)

Orang yang memiliki cacat mata ini, memiliki titik jauh pada jarak tertentu (tidak terhingga untuk mata normal). Sehingga, pada penderita cacat mata ini tidak bisa melihat benda yang jaraknya jauh (lebih dari titik jauhnya). Keadaan ini dialami karena lensa mata tidak dapat melakukan daya akomodasinya dengan baik dan berbentuk lebih lonjong dan panjang. Akibatnya bayangan benda jatuh di depan retina.

Cacat mata miopi dapat diatasi dengan menggunakan lensa bikonkaf (-). Lensa ini berfungsi menyebarkan cahaya sebelum masuk ke mata sehingga bayangan yang terbentuk akan bergeser ke belajang dan jatuh tepat di retina. Untuk lebih jelasnya bisa dilihat dari gambar di bawah ini.

Seperti dijelaskan di atas, penderita cacat miopi dapat dibantu dengan menggunakan lensa bikonkaf agar dapat melihat secara normal. Namun tentunya lensa yang digunakan juga harus disesuiakan dengan cacat yang dialami. Untuk menentukan lensa yang tepat, maka harus dihitung terlebih dahulu jarak fokus dan kekuatan lensa yang dibutuhkan. Cara untuk menentukan jarak fokus lensa yaitu dengan menggunakan persamaan berikut

dengan :

f = jarak fokus lensa yang dibutuhkan (m)

PR = titik jauh penderita miopi (m)

Setelah diperoleh nilai fokus lensa, maka dapat ditentukan besar kekuatan lensa yang dibutuhkan, yaitu dengan menggunakan persamaan di bawah ini

Dengan dibantu lensa yang tepat sesuai perhitungan dua persamaan di atas, maka penderita miopi dapat melihat normal yaitu hingga jarak yang tak terhingga.

b.    Rabun dekat (hipermetropi)

Pada keadaan tertentu, orang memiliki titik dekat yang lebih dari besar dari 25 cm. Orang yang mengalami keadaan ini disebut sebagai penderita rabun dekat atau hipermetropi. Hipermetropi terjadi karena elastisitas lensa yang sudah menurun dan berbentuk lebih pendek, sehingga bayangan yang terbentuk jatuh di belakang retina.

Penderita hipermetropi justru tidak bisa melihat dengan jelas benda-benda yang jaraknya dekat. Untuk menolongnya, penderita hipermetropi dapat menggunakan lensa bikonveks (+), yang fungsinya mengumpulkan cahaya sehingga bayangan dapat terbentuk tepat di retina. Pembentukan bayangan pada mata yang menderita hipermetropi sebelum dan setelah dibantu lensa (+) dapat dilihat pada gambar berikut.

Seperti halnya pada penderita miopi, lensa yang digunakan untuk membantu penderita hipermetropi juga harus disesuaikan titik fokus dan kekuatan lensanya. Untuk menghitung jarak lensa dapat menggunakan persamaan berikut ini.

dengan :

f = jarak fokus lensa yang dibutuhkan (m)

PP = titik dekat penderita hipermetropi (m)

Setelah diperoleh jarak fokus, dapat dihitung kekuatan lensa dengan cara yang sama seperti pada cacat miopi.

c.    Mata tua (presbiopi)

Pada penderita cacat mata ini, daya akomodasi berkurang akibat bertambahnya usia. Oleh karena itu, titik dekat maupun titik jauhnya telah bergeser. Orang yang memeiliki cacat presbiopi, memiliki titik dekat yang lebih besar dari 25 cm dan titik jauh pada jarak tertentu. Akibatnya, penderita presbiopi tidak dapat melihat dengan jelas benda yang jaraknya jauh serta tidak dapat melihat benda yang dekat dengan jarak normal. Cacat mata presbiopi dapat dibantu dengan lensa rangkap (lensa bifokal).

d.    Astigmatsma

Cacat mata astigmatisma disebabkan oleh kornea mata yang tidak berbentuk sferik (irisan bola), melainkan lebih melengkung pada satu bidang saja (silinder). Akibatnya, benda titik difokuskan sebagai garis pendek. Mata penderita astigmatisma juga memfokuskan sinar-sinar pada bidang vertikal lebih pendek daripada sinar-sinar pada bidang horizontal Penderita cacat astigmatisma dibantu dengan menggunakan lensa silinder/silindris.

2.    Kamera

Peralatan optik selanjutnya yang akan dibahas yaitu kamera. Pola kerja kamera mirip dengan pola kerja mata. Pada mata, jarak fokus diubah-ubah (dengan akomodasi) sesuai dengan letak benda sedangkan jarak bayangan selalu tetap. Adapun pada kamera, jarak fokus lensa selalu tetap sedangkan jarak bayangan diubah-ubah menyesuaikan dengan jarak benda hingga diperoleh bayangan yang jelas. Jarak bayangan yaitu jarak antara lensa dan film, untuk mengubah nilainya yaitu dengan menggerakkan lensa.

Bagian-bagian pada kamera juga meniru bagian-bagian pada mata. Agar lebih jelas dapat dilihat dari video di bawah ini.

Lensa kamera tentu saja meniru lensa kristalin. Iris yang fungsinya mengatur intensitas cahaya yang masuk sama dengan fungsi celah diafragma (aperture). Dan terakhir, jika pada mata bayangan terbentuk di retina, maka pada kamera bayangan terbentuk pada film. Bayangan yang terbentuk oleh kamera bersifat nyata, terbalik dan diperkecil.

3.    Lup

Lup atau kaca pembesar merupakan alat optik buatan yang strukturnya paling sederhana. Lup terbuat dari sebuah lensa bikonveks (cembung-cembung) yang biasanya diberi tangkai sebagai pegangan. Lup berguna untuk melihat tulisan atau bagian-bagian kecil benda. Biasanya lup digunakan oleh tukang servis arloji.

Berdasarkan fungsi utama lup yaitu untuk memperbesar ukuran huruf atau benda, maka pembahasan utama pada lup yaitu menentukan perbesaran bayangannya.  Perbesaran bayangan akan berbeda untuk keadaan mata berakomodasi dan mata tanpa akomodasi.  Persamaan perbesaran lup yaitu sebagai berikut

Dengan S_n adalah titik dekat mata, yaitu berjarak 25 cm untuk mata normal. Adapun bayangan yang terbentuk adalah maya, tegak dan diperbesar.

4.    Mikroskop

Di alam raya ini, terdapat banyak sekali benda yang ukurannya mikro. Jika ingin melihat benda mikro tersebut dengan jelas, maka kita terlebih dahulu harus membuat benda mikro tersebut terlihat lebih besar. Alat yang dapat melakukan tugas tersebut yaitu mikroskop. 

Mikroskop terdiri dari dua buah lensa bikonveks yang disebut lensa objektif dan lensa okuler. Benda diletakkan di luar titik fokus lensa objektif. Bayangan yang terbentuk oleh lensa objektif (s’_ob) merupakan benda pada lensa okuler (s_ok). Untuk lebih jelasnya silakan perhatikan gambar berikut dengan seksama.

Dari gambar kita dapat melihat bahwa jarak antara lensa objektif dengan lensa okuler sama dengan penjumlahan jarak bayangan objektif dengan jarak benda lensa okuler. Jarak dua lensa menunjukkan panjang tabung mikroskop yang dinyatakan oleh persamaan matematis

Perbesaran total mikroskop yaitu hasil kali dari perbesaran dari masing-masing lensa. Perbesaran lensa objektif memenuhi persamaan

Sedangkan perbesaran lensa okuler tergantung dari keadaan mata, apakah mengalami akomodasi maksimum atau tanpa akomodasi maksimum. Berikut ini perbedaannya

Dengan mensubstitusikan persamaan perbesaran bayangan lensa objektif dan persamaan perbesaran bayangan lensa okuler pada persamaan perbesaran total mikroskop, maka akan diperoleh persamaan perbesaran total mikroskop sebagai berikut

Untuk mata tanpa akomodasi :

Untuk mata yang mengalami akomodasi maksimum :

5.    Teropong Bintang

Teropong bintang atau teleskop astronomi digunakan untuk melihat benda-benda yang jaraknya jauh, berupa benda-benda luar angkasa seperti bintang, planet, asteroid dan sebagainya. 

Mirip dengan stuktur mikroskop, teropong bintang juga terdiri dari dua buah lensa bikonveks yaitu lensa okuler dan lensa objektif. Kedua lensa tersebut disusun sejajar dengan fokus lensa objektif (f_ob) berimpit dengan fokus lensa okuler (f_ok).

Maka panjang teleskop dapat dihitung dengan persamaan 

Teropong adalah alat yang digunakan untuk melihat benda yang jaraknya jauh. Oleh karena itu, saat menggunakan teropong mata cenderung akan melihat tanpa berakomodasi. Perbesaran bayangan pada teropong bintang saat mata tidak berakomodasi yaitu

Bayangan akhir yang dibentuk oleh teropong bintang adalah terbalik dari wujud aslinya. Namun, hal itu tidak terlalu menjadi masalah karena yang diamati adalah benda-benda luar angkasa.

6.    Teropong Bumi

Alat optik yang digunakan untuk melihat benda-benda yang jaraknya jauh berupa benda-benda di permukaan bumi disebut dengan teropong bumi. Struktur teropong bumi hampir sama dengan teropong bintang, yaitu terdiri dari dua lensa bikonveks yang disebut dengan lensa objektif dan lensa okuler. Namun, pada teropong bumi di antara lensa objektif dan okuler diletakkan sebuah lensa bikonveks lain yang lebih tipis yang fungsinya sebagai pembalik bayangan yang dibentuk oleh lensa objektif. Penambahan lensa pembalik ini dengan tujuan agar bayangan akhir yang dilihat dapat berbentuk tegak dan sama dengan bentuk asli benda.

Lensa pembalik ini hanya akan membalikkan bayangan benda, tapi tidak merubah ukurannya (perbesaran = 1).

Dengan adanya lensa pembalik pada teropong bumi, menyebabkan panjang teropong bumi berbeda dengan panjang teropong astronomi. Panjang teropong bumi dihitung dengan menggunakan persamaan

Perbesaran bayangan pada teropong bumi sama dengan persamaan pada teropong bintang yaitu

Sumber :
Materi diambil dari berbagai sumber yang digabungkan menjadi rangkuman penulis, video diambil dari https://youtube.be/BcmWDj-C4eEc