LAPORAN FISIKA LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKA

(1)

Abstrak—Telah dilakukan percobaan Analisa Kekerasan Bahan dengan Metode Citra Spekel dengan tujuan untuk membandingkan kekerasan beberapa amplas mesh dan kertas HVS dengan tisu melalui metode pencitraan spekel. Bahan uji kekerasan pada percobaan ini adalah amplas 240 mesh, 500 mesh, 1000 mesh, mesh 200, kertas HVS, dan tisu. Sedangkan sudut polarisator yang digunakan adalah 00, 300, 600, dan 900. Pada percobaan ini, cahaya laser He-Ne dilewatkan melalui polarisator dan mengenai bahan uji. Pola hamburan cahaya laser setelah mengenai bahan uji, lalu di tangkap web cam dan dilakukan analisa dengan software image j untuk memperoleh sudut deviasi pada percobaan. Gambar yang ditangkap oleh web cam adalah pola spekel dari pemantulan cahaya laser yang merambat lurus melalui polarisator dang mengenai bahan uji. Pemantulan cahaya laser dari bahan uji ini dipengaruhi oleh nilai kekerasan suatu bahan uji yang di akibatkan adanya interferensi cahaya pantul akibat frekuensi yang sama, sedangkan amplitudo dan fasenya berbeda. Data hasil percobaan ini adalah nilai sudut deviasi dan mean. Selanjutnya, data ini digunakan untuk menentukan nilai kontras. Nilai kontras, berbanding terbalik dengan nilai kekerasan suatu bahan uji. Hasi percobaan menunjukan bahwa kekerasan dari semua bahan uji dari nilai terbesar adalah amplas mesh 240, amplas mesh 500, amplas mesh 1000, amplas mesh 2000, kertas HVS, dan tisu.

Kata Kunci— Citra Spekel , Leser He-Ne, Polarisator

I. PENDAHULUAN

I berbagai aplikasi penggunaan alat, kualitas suatu bahan sangat penting, Guna menguji kualitas dari suatu alat tersebut dilakukan suatu metode khusus. Salah satu metode yang digunakan untuk menguji kekerasan bahan adalah dengan ,enggunakan metode citra spekel dengan memanfaatkan cahaya pantul yang mengalami interferensi. Manfaat kekerasan suatu bahan adalah untuk menentukan kegunaan bahan dengan kekerasan ertentu tersebut, seperti mengasah pisau dibutuhkan batu yang memiliki permukaan yang rata untuk mengasahnya. Ada pula untuk pembuatan batu permata yang cantik dan elegan diperlukan keahlian untuk membuatnya. Pemanfaatan permukaan yang memiliki banyak tingkat kekasaran sangat banyak. Untuk mendapatkan seberapa kekasaran yang dimiliki oleh suatu benda inilah diperlukan suatu metode identifikasi kekerasan suatu bahan yang mudah untuk digunakan. Salah satu metode identifikasi kekerasan yang sering digunakan adalah metode citra spekel.

Pola Spekel (Speckle Pattern) ialah pola intensitas acak yang dihasilkan oleh interferensi dari muka gelombang. Efek spekel adalah hasil interferensi dari banyak gelombang dengan frekuensi yang sama, tetapi memiliki fase dan amplitudo yang berbeda, yang mana jika disatukan akan menghasilkan

gelombang resultan dari amplitudo, sehingga variasi intensitasnya menjadi acak. Jika setiap gelombang di peragakan oleh sebuah vektor, sehingga dapat dilihat jika angka dari vektor dengan sudut yang acak disatukan, panjang dari vektor resultan dapat bermacam-macam dari nol sampai jumlah panjang vektor itu sendiri (jalan acak 2 dimensi) atau biasa dikenal seperti pemabuk yang sedang berjalan. Pola spekel yang dibentuk ketika sinar laser dihamburkan dari permukaan plastik menuju dinding [1]. Suatu permukaan yang disinari oleh gelombang cahaya, berdasarkan teori difraksi, setiap titik pada permukaan yang disinari akan bertindak sebagai sebuah sumber dari gelombang lingkaran sekunder[2].

Pola interferensi cahaya dari dua sumber atau lebih dapat diamati jika sumber-sumber tersebut bersifat koheren, yaitu bila sumber-sumber tersebut sefase atau memiliki perbedaan fase yang konstan terhadap waktu[5].

Interferensi dapat bersifat membangun dan merusak. Bersifat membangun disebut juga interferensi konstruktif, yaitu jika beda fase kedua gelombang sama sehingga gelombang baru yang terbentuk adalah penjumlahan dari kedua gelombang tersebut. Bersifat merusak jika beda fasenya adalah 180 derajat, sehingga kedua gelombang saling menghilangkan dan disebut interferensi Destruktif. Pada pola frinji interferensi, interferensi konstruktif menghasilkan pola cahaya terang, sedangkan interferensi destruktif ditandai dengan tidak adanya cahaya atau disebut gelap[4].

Cahaya juga dapat mengalai polarisasi. Polarisasi adalah peristiwa perubahan arah getar gelombang pada cahaya. Akibat adanya polarisasi cahaya, arah getar suatu cahaya yang semula acak dapat menjadi satu arah getar saja. Oleh karenaa itulah, polarisasi dapat disebu sebagai penyerapan arah bidang getar suatu gelombang. Fakta bahwa cahaya dapat mengalami polarisasi, menunjukan bahwa cahaya adalah gelombang transversal[1].

Cahaya pada titik manapun dalam hamburan medan cahaya berasal dari gelombang yang telah terhambur dari tiap titik pada permukaan yang disinari. Pada percobaan ini dapat di amati pada bahan uji yang digunakan. Jika permukaan yang cukup kasar untuk menciptakan panjang garis yang berbeda-beda melebihi satu panjang gelombang, dengan menambah fase maka akan mengubahnya menjadi lebih besar dari 2π, amplitudo dan intensitas dari variasi resultan cahaya juga akan menjadi acak[2].

Cahaya juga dapat mengalai polarisasi. Polarisasi adalah peristiwa perubahan arah getar gelombang pada cahaya. Akibat adanya polarisasi cahaya, arah getar suatu cahaya yang semula acak dapat menjadi satu arah getar saja. Oleh karenaa itulah, polarisasi dapat disebu sebagai penyerapan arah bidang getar suatu gelombang. Fakta bahwa cahaya dapat mengalami

Analisa Kekerasan Bahan dengan Metode Citra

Spekel

Asrofi Khoirul Huda, Diana Ainun Nisa, Ning Rosianah, Diky Anggoro

Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

E-mail : [email protected]

(2)

polarisasi, menunjukan bahwa cahaya adalah gelombang transversal[1].

Gambar 1. Pola Interferensi pada dua sumber cahaya

Efek spekel ialah hasil dari interferensi banyak gelombang yang koheren. Interferensi koheren yang dimaksud disini, artinya memiliki amplitudo dan frekuensi yang sama namun boleh memiliki fase yang berbeda. Gelombang-gelombang tersebut kemudian bergabung untuk memberikan variasi internsitas secara acak karena amplitudo gelombang resultan. Gelombang inilah yang disebut sebagai pola spekel[5].

Apabila cahaya yang digunakan mempunyai koherensi rendah (yaitu terdiri dari banyak panjang gelombang), pola spekel biasanya tidak teramati karena pola spekel dari panjang gelombang yang dihasilkan dari masing-masing gelombang memiliki dimensi yang berbeda. Namun pola spekel dapat diamati dalam cahaya polikromatik hanya dalam beberapa kondisi[2].

Dalam bebeapa kasus yang sering terjadi, titik gelap lebih sering terlihat daripada titik terangnya. Sehingga, dapat diasumsikan bahwa sebuah cahaya koheren yang searah dari panjang gelombang yang menyinari permukaan optik yang tidak rata, yang berarti panjang gelombang yang dipilih adalah jauh lebih kecil daripada variasi tinggi permukaannya yang biasa disebut dengan mean (rata-rata). Akibat tinggi dari variasi permukaan yang acak, maka gelombang lingkarannya direfleksikan oleh permukaan yang juga menghasilkan distribusi fase secara acak[3].

I. METODOLOGI

Pada percobaan Analisa Kekerasan Bahan dengan Metode Citra Spekel ini digunakan beberapa alat dan bahan. Bahan uji yang diunakan adalah tisu, kertas HVS, dan mesh. Mesh sendiri yang digunakan adalah mesh 240, mesh 500, m3sh 1000, dan mesh 2000. Sedangkan alat yang digunakan adalah seperti polarisator yang berfungsi untuk menyaring arah getar gelombang, laser He Ne sebagai penghasil cahaya, statip sebagai tempat meletakan bahan uji, web cam sebagai camera pengambil gambar, dan laptop sebagai interface web cam untuk mengambil data pola spekel.

Gambar 2. Bahan pengujian kekerasan

Gambar 3. Rangkaian Percobaan Pola Spekel

terdapat dua tahap yaitu tahap pengambilan data dan pengolohan data. Pada tahap pengambilan data peralatan yang telah disediakan disusun seperti Gambar 1.1. setelah disusun posisi leser, polarisator diusahakan sejajar agar cahaya terfokuskan. Selanjutnya sinar dari leser diatur agar tepat mengenai mesh atau kertas. Untuk mendapatkan berkas cahaya yang jatuh di mesh atau kertas, dipasang web camera berdekatan dengan bahan yang diamati agar mudah merekam hasil spekel dalam hal ini menggunakan web camera pada usb laptop. Digunakan variasi sudut yakni 0o, 30o, 60o, dan 90o. Percobaan ini diulangi dengan sampel yang berbeda dari amplas 240 mesh, 500 mesh, 1000 mesh, 2000 mesh, kertas hvs dan tisu. Analisa dilakukan dengan menggunakan software image pada laptop untuk mendaptkan sudut deviasi.

Gambar 4. Flow Chart metodologi Percobaan Pola Spekel Pada tahap pengolahan data ini gambar foto hasil percobaan dengan web camera, dibuka dengan menggunakan software imageJ. Gambar dipotong dan cari nilai histogramnya. Dari nilai yang diperoleh berupa mean data dan standar deviasi. Kemudian dihitung nilai dari contrast dengan membagi antara sudut deviasi dengan mean.

Alat dan bahan dirangkai seperti pada gambar

Posisi laser, polarisator, dan beam expander diatur lurus

Sinar laser diatur agar mengenai bahan

Webcam dipasang berdekatan dengan bahan

Dilakukan variasi sudut polarisi Diulangi dengan sampel

berbeda

Menghitung standar deviasi menggunakan software

imagej finish

(3)

...(1) Dimana : C = kontras

s = sudut deviasi m = mean

Selanjutnya dibuat dua grafik antara kekasaran dan contrast, dimana untuk grafik pertama yakni kekasaran antara mesh satu dengan yang lain dan untuk grafik kedua antara kekasaran tisu dengan kertas HVS.

II. HASILDANPEMBAHASAN

Dalam percobaan Analisa Kekerasan Bahan dengan Metode Citra Spekel yang telah dilakukan, didapat data berupa foto yang selanjutnya di olah dengan menggunakan software image j. Software ini berfungsi untuk menentukan nilai sudut deviasi dan mean dari pola spekel yang didapat pada gambar. Gambar pla spekel sendiri didapatkan dari pengambilan gambar dengan menggunakan salah satu alat pada percobaan ini, yaitu dengan menggunakan web cam eksternal. Data hasil perolehan mean dan kontras Pada berbagai sudut polarisator disajikan dalam tabel berikut.

Tabel 1. Hasil pengukuran Sudut Deviasi dan Mean pada polarisator 00

Bahan Sudut Deviasi Mean

Amplas 240 58.499 112.751 Amplas 500 54.783 124.59 Amplas 1000 56.706 125.709 Amplas 2000 50.786 152.589 Kertas HVS 61.986 118.697 Tisu 71.608 101.444

Tabel di atas adalah hasil perhitungan kontras pada berbagai bahan uji dengan menggunakan nilai sudut polarisator 00. Sedangkan pada tabel yang lain disajikan pada tabel berikut.

Tabel empat di atas adalah hasil pengukuran mean dan sudut deviasi nilai sudut polarisator Sembilan puluh derajat. Dari keempat tabel di atas, selanjutnya dihitung nilai kontras dengan menggunakan persamaan (1). Berikut adalah contoh perhitungan kontras dengan menggunakan persamaan (1). Dengan mengambil contoh hasil perhitungan kontras pada percobaan pertama, yaitu dengan menggunakan mesh 240 dan dengan mengggunakan nilai sudut polarisator 00.

0.5188335

Data perhitungan selengkappnya disajikan dalam tabel berikut Tabel 5. Hasil Hasil perhitungan kontras dengan variasi mesh N o Mesh Kontras rata-rata 0o 30o 60o 90o 1 Amplas 240 0.5188 0.3674 0.4451 0.3818 0.4283 2 Amplas 500 0.4397 0.4742 0.4012 0.4801 0.4488 3 Amplas 1000 0.4511 0.5080 0.5487 0.3891 0.4742

Tabel 6. Hasil Hasil perhitungan kontras dengan variasi bahan

No Bahan Kontras rata-rata

0o 30o 60o 90o

1 Mesh 2000 0.3328 0.4046 0.3419 0.4139 0.3733 2 HVS 0.5222 0.5207 0.4396 0.5505 0.5083 3 Tisu 0.7059 0.6414 0.4915 0.3006 0.5349

Dari data nilai kontras pada tabel 5 dan tabel 6 di atas, selanjutnya dibuat grafik kontras terhadap berbagaai bahan uji. Grafik yang dibuat adalah nilai kontras terhadap bahan uji pada berbagai nilai sudut polarisasi yang terlampir, dan nilai rata-rata yang dijelaskan di bawah ini

Gambar 5. Grafik kontras terhadap berbagai jenis Mesh Grafik di atas, menjelaskan nilai kontras dari berbagai nilai mesh yang mempunyai nilai kekerasan yang berbeda. Bahan 1, 2, dan 3 berturut-turut adalah amplas mesh 240, mesh 500, dan mesh 1000. Nilai kontras pada percobaan spekel menunjukan nilai kekerasan suatu bahan dimana nilai kontras suatu bahan berbanding terbalik dengan nilai kontras suatu

y = 0.023x + 0.4045 R² = 0.9962 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 K o n tr as Jenis Mesh Variasi Mesh pada nilai rata-rata

(4)

bahan. Dari pernyataan tersebut, dapat disimpulkan bahwa kekerasan mesh 240 lebih dari kekerasan mesh 500 dan kekerasan mesh 1000. Sedangkan kekerasan mesh 500 kurang dari mesh 240 dan lebih dari mesh 1000. Dari gambar di atas, terlihat bahwa Perbandingan ketiga bahan uji dengan mengambil nilai kontras rata-rata terlihat bahwa nilai kontrasnya membentuk regresi linier denga persamaan garis y=0,023x+0,4045. Sedangkan nilai regresi liniernya 0,9962.

Gambar 6. Grafik kontras terhadap berbagai jenis Bahan Grafik di atas, menjelaskan nilai kontras dari berbagai bahan yang mempunyai nilai kekerasan yang berbeda. Bahan 1, 2, dan 3 berturut-turut adalah amplas mesh 200, kertas HVS, dan tisu. Nilai kontras pada percobaan spekel menunjukan nilai kekerasan suatu bahan dimana nilai kontras suatu bahan berbanding terbalik dengan nilai kontras suatu bahan. Dari pernyataan tersebut, dapat disimpulkan bahwa kekerasan mesh 2000 lebih dari kekerasan kertas HVS dan kekerasan Tisu. Sedangkan kekerasan kertas HVS kurang dari mesh 2000 dan lebih dari tisu. Dari gambar di atas, terlihat bahwa Perbandingan ketiga bahan uji dengan mengambil nilai kontras rata-rata terlihat bahwa nilai kontrasnya membentuk regresi linier denga persamaan garis y=0,0808x+0,3106. Sedangkan nilai regresi liniernya 0,8696.

Secara fisis, nilai kekerasan pada pola spekel didapatkan dengan memanfaatkan cahaya yang berasal dari sinar laser. Hal ini dikarenakan sifat cahaya leser adalah cahaya yang koheren yang mana tingkat koherennisasi suatu cahaya yang digunakan menyebabkan berkas cahaya yang dihasilkan yang telah mengenai bidang bahan akan mengalami innterferensi dengan cahaya yang terhambur pada bagian titik yang lain tersebut dari permukaan bahan uji. Saat suatu bahan uji disinari dengan cahaya leser maka cahaya yang dihasilkan berupa distribusi intensitas tertentu, sehingga tampak bahwa permukaan seperti tertutupi struktur butiran halus yang mana akan berbentuk pola gelap terang yang secara acak akibat adanya interferes cahaya laser setelah dipantukan ileh bahan uji yang mempunyai amplitude dan fase berbeda, namun frekuensinya sama. Pola pantulan ini, menunjukkan nilai dari kontras yang dihasilkan, dan berbanding terbalik dengan nilai kekerasan suatu bahan uji.

Untuk menambah validasi percobaan ini, maka cahaya dari laser yang merambat lurus akan dilewatkan dengan polarisator dengan nilai sudut yang berbeda beda. Polarisator disini berfungsi untuk mengurangi arah getar dari gelombang cahaya yang dihasilkan oleh laser. Sudut polarisator di atur

sedemikian rupa dengan nilai yang berbeda, yaitu 00, 300, 600, dan 900.

III. KESIMPULAN

Setelah melakukan percobaan Analisa Kekerasan Bahan dengan Metode Citra Spekel ini, didapat kesimpulan bahwasanya nilai kekerasan semua bahan uji di urutkan dari bahan dengan nilai kekerasan tertinggi adalah amplas mesh 240, amplas mesh 500, amplas mesh 1000, amplas mesh 2000, kertas HVS, dan tisu.

UCAPANTERIMAKASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan ijin atas berlangsungnya pelaksanaan praktikum Analisa Kekerasan Bahan dengan Metode Citra Spekel ini, kepada asisten Fisika Laboratorium pada percobaan ini yaitu

Diana Ainun Nisa dan Ning

Rosianah

yang telah membantu baik sebelum praktikum, saat praktikum, dan setelah praktikum. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada anggota kelompok atas kerja samanya dalam melaksanakan percobaan ini sehingga terlaksananya praktikum Analisa Kekerasan Bahan dengan Metode Citra Spekel dengan lancar..

DAFTARPUSTAKA

[1] Dainty, J. C., (1984), ”Laser Speckle and Related Phenomena”,

2nd ed., Dainty, J. C., Ed.,Springer Verlag, New York.

[2] McKechnie, T.S. 1976. Image-plane speckle in partially coherent illumination. Optical and Quantum Electronics 8:61-67

[3] Rabal, H. J., Braga R. A., (2009), “Dynamic Laser Speckle and

Applications”, Optical science and engineering:139, Taylor & Francis Group, LLC.

[4] Tienkartina. 2010. Interferensi Cahaya.

http://tienkartina.wordpress.com/2010/08/21/interferensi-cahaya/. Diakses pada 1 Desember 2015

[5] Tipler, P. A. 1991.Fisika Untuk Sains dan Tehnik Jilid 2, Jakarta:Erlangga y = 0.0808x + 0.3106 R² = 0.8696 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 1 2 3 4 K o n tr as Jenis Bahan Variasi Bahan pada nilai rata-rata

(5)

Gambar 1. Mesh 240, sudut 00

Gambar 9. HVS, sudut 00

Gambar 11. Tisu, sudut 00

Gambar 19. 2000, sudut 300

Gambar 20. 2000, sudut 300

(6)

(7)

(8)

Gambar 1. Hubunngan kontras terhadap Variasi Mesh pada 00

Gambar 5. Hubunngan kontras terhadap Variasi bahan pada 00

Gambar 8. Hubunngan kontras terhadap Variasi Bahan pada 900 y = -0.0339x + 0.5376 R² = 0.627 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.5 0.51 0.52 0.53 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 K on tr as Jenis Mesh

Variasi Mesh pada 0

0

y = 0.0703x + 0.3093 R² = 0.9173 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 K o n tr as Jenis Bahan

Variasi Mesh pada 30

0

y = 0.0518x + 0.3614 R² = 0.4676 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 K o n ras Jenis Bahan

Variasi Mesh pada 60

0

y = 0.0036x + 0.4097 R² = 0.0044 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 1 2 3 4 K o n tr as Jenis Mesh

Variasi Mesh pada 90

0

y = 0.1865x + 0.1473 R² = 0.9999 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 K o n tr as Jenis Bahan

Variasi Bahan pada 0

0

y = 0.1184x + 0.2855 R² = 0.9999 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 K o n tr as Jenis Bahan

Variasi Bahan pada 30

0

y = 0.0748x + 0.2747 R² = 0.9697 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 K o n tr as Jenis Bahan

Variasi Bahan pada 60

0

y = -0.0566x + 0.5349 R² = 0.2049 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 K n n tr as Jenis Bahan

Variasi Bahan pada 90

0