BAB III PERANCANGAN PERANGKAT DAN PEREKAMAN POLA DIFRAKSI

Transkripsi

1 BAB III PERANCANGAN PERANGKAT DAN PEREKAMAN POLA DIFRAKSI 3.1 Dasar Perancangan Perancangan perangkat pengenalan karakter ini, didasari pemanfaatan alihragam optika Fourier. Obyek karakter disajikan dalam media film negatif kontras tinggi (ortho), media terdiri dari bagian bening dan tidak tembus cahaya. Obyek tersebut dikenai berkas sejajar laser HeNe dengan panjang gelombang 632,8 nm. Berkas cahaya yang mengenai bagian bening akan ditransmisikan dan berkas yang mengenai tepi karakter akan terdifraksi. Berkas kemudian ditampung dan dibiaskan oleh lensa positif menghasilkan suatu sebaran intensitas yang khas pada bidang fokus belakang lensa. Satu obyek karakter diambil sebagai acuan. Sebaran intensitas acuan direkam di bidang fokus dengan perangkat kamera fotografi menggunakan film kontras tinggi. Melalui proses pengembangan film, didapat rekaman positif dari sebaran intensitas khas acuan tersebut. Selanjutnya dengan proses contact print didapatkan rekaman kebalikan (negatif). Rekaman ini dijadikan tapis (filter). Pinhole 10 µm f=500mm f=500mm f=500mm f=500mm Laser HeNe f0 Objektif Mikroskop fc=250mm L c Objek L 1 Filter L 2 Citra Gbr. 3-1 Skema perangkat Gambar 3-1 menunjukan susunan perangkat pada penelitian ini, Perangkat penapisan 3-1

2 karakter ini dirancang berdasarkan adanya perbedaan pola alih-ragam Fourier yang bertumpuk di bidang fokus. Dengan meloloskan dan menapis karakter tertentu di bidang fokus menggunakan filter ruang di atas, diharapkan di bidang citra (sesudah inversi alih-ragam Fourier) tampak perbedaan keluaran akibat penapisan tersebut. Ada beberapa alasan utama yang melandasi perancangan perangkat pengenalan karakter dengan pemanfaatan alih-ragam Optika Fourier, antara lain: a. Spektrum Fourier selalu terbentuk pada bidang fokus, tidak tergantung pada pergeseran posisi pada bidang obyek ( shift-invariant ). b. Upaya penapisan dapat kita lakukan hanya pada satu kedudukan yang tetap, yaitu di bidang fokus belakang lensa pengalih-ragam. c. Obyek-obyek yang sama akan memiliki pola spektrum Fourier yang sama pula. Pola-pola ini adalah khas untuk masing-masing objek yang berbeda. Kelemahan metoda ini antara lain: a. Alih-ragam 0ptika Fourier peka terhadap pergerakan objek sepanjang sumbu optik, sehingga bila ada kesalahan peletakan objek di medan masukan, maka kita tidak akan mendapatkan pola spektrum yang sesuai dengan difraksi Fraunhofer. b. Pola obyek karakter rentan terhadap perbedaan skala dan rotasi. c. Penapisan intensitas mempunyai ketergantungan terhadap karakter indeks bias dan butiran perak halida dari bahan tapis yang digunakan. 3-2

3 3.2 Susunan Perangkat Susunan perangkat terdiri dari 3 buah perangkat dasar yaitu : 1. Perangkat menghasilkan cahaya koheren sejajar dengan intensitas merata. 2. Perangkat pengalih-ragam optika Fourier. 3. Perangkat pengolah citra optik Susunan Perangkat Cahaya Koheren Sejajar dengan Intensitas Merata. Tata letak perangkat optik yang dirancang, ditunjukkan oleh Gambar (3-2). Sebuah laser He-Ne berdaya 5 mw dengan panjang gelombang 632,8 nm digunakan sebagai sumber cahaya. Sinar laser mempunyai berkas yang kecil (diameter d 1,7 mm) dengan sebaran variasi intensitas Gauss. Cahaya laser dilewatkan lensa pembesar berkas, berupa lensa obyektif mikroskop (MO). Pada jarak fokus mikroskop (f m ) ditempatkan tapis ruang, berupa lubang dengan diameter d t, biasa disebut pinhole. Laser D d MO d t f m f c D f c 2,44 λf m d f d t m d Gbr.3-2 Skema perangkat penyejajar berkas cahaya koheren. 3-3

4 Diameter lubang tapis didasarkan pada pola Airy yang terbentuk di titik fokus lensa dari berkas laser berdiameter d, dengan intensitas berupa variasi Gauss. Diameter intensitas maksimum pola Airy d t 2, 44λf = d m ( 3 1) Dengan menggunakan obyekif mikroskop (f m =4mm) dan laser HeNe (λ=632,8 nm) dengan intensitas variasi Gauss, dengan diameter berkas (d=1,7 mm), maka sesuai dengan persamaan (3-1) diameter tapis sama dengan 2,44 x 632,8nm x 4mm / 1,7 mm = 3,6µm. Karena kesulitan mendapatkan tapis dengan ukuran sekecil ini, dibutuhkan pendekatan praktis seperti tampak pada tabel 3-1; Tabel 3-1 Panduan praktis penggunaan obyektif mikroskop dan pinhole Pembesaran Obyektif (M) Diameter lubang tapis (µm) 10X X 20 40X 10 Pada perangkat ini digunakan pembesaran obyektif mikroskop 40X dan diameter lubang tapis ruang 10µm dalam satu buah perangkat terintegrasi (Gbr.3-2). Penggunaan perangkat ini memudahkan penyesuaian jarak fokus obyektif mikroskop terhadap tapis, pada posisi yang tepat, segaris sumbu optik. Tapis pinhole mempunyai fungsi untuk menghilangkan pengaruh debu atau goresan (pada sumber sinar laser dan lensa pembesar berkas). Debu menghasilkan bentukan impuls amplitudo, oleh karena itu spektrum impulsnya akan mengandung frekuensi tinggi. Pada bidang fokus lensa, akan terdapat satu titik spektrum berkas 3-4

5 laser dengan intensitas tinggi (frekuensi nol) dan dikelilingi oleh spektrum acak akibat unsur debu dengan intensitas rendah (frekuensi tinggi). Dengan menempatkan tapis pada titik fokus obyektif mikroskop, satu titik berkas orde nol dengan intensitas tinggi diloloskan dan berkas frekuensi tinggi ditahan oleh tapis. Untuk memperoleh berkas laser yang sejajar dan berukuran diameter lebih besar, ditempatkan sebuah lensa penyejajar (Lc) di belakang tapis pinhole. Permukaan lensa penyejajar dengan jari-jari kelengkungan lebih besar (bagian mendekati mendatar) ditempatkan menghadap tapis pinhole, cara ini digunakan untuk mengurangi faktor aberasi dari lensa (Gbr. 3-2). bagian terpenting dari posisi lensa penyejajar adalah penempatan titik fokus lensa (f c =250mm), yang harus berhimpit dengan titik pusat tapis pinhole. Untuk mempermudah penempatan posisi ini, digunakan cermin pada cahaya yang dilewatkan lensa penyejajar. Cahaya yang mengenai permukaan cermin akan dipantulkan kembali ke lensa penyejajar, lalu dipusatkan ke titik fokus lensa. Dengan melakukan pengaturan jarak antara perangkat tapis dengan lensa penyejajar, kita dapatkan titik fokus yang berhimpit, sekaligus berkas cahaya koheren sejajar diameter besar dengan intensitas merata. Gbr.3-3 Foto perangkat percobaan untuk metoda intensity matched filtering technique 3-5

6 3.2.2 Perangkat Pengalih-ragam Optika Fourier. f=500mm f=500mm Lc Obyek berupa celah Lensa Optika Fourier Gbr.3-4 Perangkat pengalih-ragam optika Fourier Sebaran intensitas pada bidang fokus merupakan alih-ragam Fourier dua dimens (optika Fourier), sebagai fungsi transmisi dari obyek. Penempatan obyek pada jarak fokus lensa berguna untuk menghilangkan pengaruh fasa kuadrat dari celah. Sedangkan pemilihan jarak fokus yang panjang (f=500mm) agar memudahkan pengamatan dan pengambilan data di bidang fokus. Gambar 3-4, menunjukkan perangkat pengalih-ragam optika Fourier. Bidang Alih-ragam Fourier Perangkat Pengalih-ragam Balik Optika Fourier. f=500mm f=500mm Bidang Alih-ragam Fourier Lensa Inversi Optika Fourier Penempatan lensa tambahan sejauh jarak fokus lensa, berfungsi sebagai inversi optika Fourier. Lensa ini berfungsi juga sebagai media pencitraan dari obyek. Citra dari obyek akan terbentuk pada jarak fokus belakang lensa (f=500mm). Citra yang terbentuk mempunyai perbandingan proporsional dengan obyek (1:1). Gambar 3-5, menunjukkan perangkat pengalih-ragam balik optika Fourier. Bidang Citra 1:1 Gbr.3-5 Perangkat pengalih-ragam balik optika Fourier 3-6

7 3.3 Perangkat percobaan Langkah percobaan dibagi atas tiga bagian, yaitu: 1. Pembuatan obyek acuan dan obyek masukan. 2. Perangkat pembuat tapis acuan. 3. Perangkat pengujian menggunakan tapis acuan Obyek Acuan dan Obyek Masukan. Obyek masukan yang dipilih pada penelitian ini adalah karakter Lucida Sans Unicode. Karakter ini yang dipilih menjadi obyek acuan dan obyek masukan pada penelitian ini, dengan format; size 28 point, scale 100%, dan spacing 3 point. Karakter Lucida Sans Unicode tersedia pada program Word 97, Microsoft Inc. Gambar 3-6 dan 3-7 menampilkan obyek acuan dan obyek masukan. A I U Gbr.3-6 Master obyek acuan. Ukuran master obyek acuan ini, antara lain; huruf A tinggi 7,5 dan lebar 7 mm, huruf I tinggi 7,5 dan lebar 1 mm, dan huruf U tinggi 7,5 dan lebar 6,5 mm. Master obyek tersebut, kemudian dicetak menggunakan printer HP Deskjet 520. A I U E O X C Y G K Z A I T 7 Gbr.3-7 Master obyek masukan. Sesudah dilakukan printing dari komputer, hasil ini kemudian diserahkan pada perusahaan ortografi, P.T. Perdana Repro. Ilustrasi pembuatan obyek percobaan 3-7

8 Printer AIUEO XCYGK ZAIT7 AIUEO XCYGK ZAIT7 ORTOGRAFI Media Kertas Media Transparan Gbr.3-8 Skema pembuatan obyek acuan dan obyek masukan. A I U A I U E O X C Y G K Z A I T 7 Gbr.3-9 Film orto negatif untuk obyek acuan dan obyek masukan. 3-8

9 dapat dilihat pada gambar 3-8. Pada proses ortografi dilakukan penyusutan ukuran dengan skala 20%, agar tidak tampak tonjolan tinta pada pinggir-pinggir huruf karena ketidak-sempurnaan hasil printing. Di samping itu, pengerutan ukuran ini dipilih karena pola spektrum Fourier akan lebih besar bila ukuran celah semakin diperkecil [8]. Hasil proses ortografi didapatkan pada film kontras tinggi, orto negatif dan orto positif yang berupa media biner, mengandung bagian bening dan opaque. Film yang dapat digunakan pada penelitian ini hanya film orto negatif, yaitu obyek dengan latar belakang hitam dominan dan pola huruf pada orto negatif berupa celah bening. Obyek acuan pada film orto negatif mempunyai ukuran, antara lain; huruf A tinggi 1,5 dan lebar 1,4 mm, huruf I tinggi 1,5 dan lebar 0,5 mm, dan huruf U tinggi 1,5 dan lebar 1,3 mm. Setiap obyek acuan mengandung celah dengan lebar 0,2 mm. Gambar 3-9 menampilkan hasil dari proses ortografi Perangkat Pembuatan Tapis Acuan. Pada perangkat ini, pola alih-ragam optika Fourier dari sebuah obyek acuan berupa huruf A, I atau U ditangkap di bidang fokus menggunakan kamera SLR, Nikon FM2. Film yang digunakan pada penelitian ini film kontras tinggi, Fuji Film Minicopy ISO 6. Pemilihan film ini berdasarkan kemampuan resolusi film yang tinggi sehingga dapat merekam variasi intensitas pola difraksi dari obyek acuan. Susunan perangkat pembuat tapis acuan dapat dilihat pada gambar Melalui proses pencucian film (dilakukan di Multivera Foto & Labour) menggunakan larutan pengembang Kodak D-76 selama 7 menit didapatkan film kontras tinggi. Film ini digunakan sebagai tapis yang dominan bening dengan bagian gelap hasil rekaman dari obyek acuan. Gambar 3-11 menampilkan proses di atas. 3-9

10 Pinhole 10 µm f f Film kontras tinggi Laser HeNe f0 Objektif Mikroskop fc L c Objek Acuan L 1 Kamera SLR Gbr.3-10 Skema perangkat perekaman tapis acuan. Hasil perekaman kamera SLR Nikon FM2 pada Fuji Film Minicopy HR II Proses pengembangan Film Gbr.3-11 Skema pembuatan tapis acuan. Pinhole 10 µm f f f f Laser HeNe Objektif Mikroskop fc L c Objek L 1 Filter L 2 Citra Gbr.3-12 Skema perangkat pengujian menggunakan tapis acuan. 3-10

11 3.3.3 Perangkat Pengujian Tapis Acuan. Perangkat penapisan mempunyai bentuk yang sama seperti perangkat perekaman pola acuan, perbedaannya terletak pada lensa tambahan untuk inversi alihragam Fourier (Gbr. 3-12). Baik lensa tambahan dan lensa positif lainnya mempunyai jarak fokus yang sama f=500mm. Obyek berupa barisan karakter huruf ditempatkan di depan lensa pengalih-ragam Fourier. Di belakang lensa akan terbentuk spektrum fourier obyek, yang kemudian ditapis oleh spektrum pola acuan di bidang fokus. Spektrum Fourier yang dilalukan tapis melewati lensa inversi Fourier, pola ini ditangkap perangkat perekam, kamera SLR pada film Kodak Pancromatic ASA 200. Skema perangkat pengujian ditampilkan pada gambar (3-13). Gbr Pengujian menggunakan tapis positif Langkah pengujian yang dilakukan, yaitu : 1. Tapis yang digunakan adalah tapis positif, tapis ini didapatkan dari klise (sesudah dilakukan pengembangan film) dari film kontras tinggi Fuji Minicopy. 2. Membandingkan citra obyek acuan tanpa penapisan dengan citra sesudah dilakukan penapisan. 3. Membandingkan citra dari obyek masukan (berupa barisan huruf) dengan citra sesudah dilakukan penapisan. Tapis yang digunakan adalah hasil alih-ragam Fourier dari huruf A di film kontras tinggi. 3-11

12 3.4 Persiapan Pengukuran Cahaya untuk Perekaman Citra Sebelum dilakukan pengambilan citra, terlebih dahulu dilakukan pengukuran kuat cahaya pada bidang citra. Pengukuran menggunakan Lightmeter merek Sekonic L-188 serta Kamera SLR Olympus OM 707 AF. Pemilihan alat-alat di atas didasari alasan : Lightmeter Sekonic merupakan lightmeter manual menggunakan peraga jarum dan memiliki tabel konversi, sehingga memudahkan pengukuran serta kalibrasi pengukuran cahaya. Kamera Olympus OM 707 AF mempunyai kemampuan pengukuran untuk cahaya merah, 4-18 elektron volt (ev) untuk film ASA 100. Fasilitas pengukuran ini, berdasarkan pantulan cahaya suatu obyek dari proyeksi sumber cahaya LED berwarna merah. LED tersebut berasal dari panel pada badan kamera. Fasilitas ini digunakan untuk program autofocus, program standar pada kamera ini. Kedua perangkat pengukuran tersebut mempunyai sensitivitas pengukuran tinggi. Lightmeter Seconic mempunyai rentang sensitivitas pengukuran 3-18 ev dan Kamera Olympus OM 707 AF mempunyai rentang 4-18 ev. Beberapa hal khusus yang perlu diperhatikan : Lightmeter Seconic ditujukan untuk pengukuran cahaya putih dengan metoda refleksi dari sumber cahaya difus. Bila pengukuran untuk cahaya merah dari sumber koheren dengan metoda langsung dilakukan, perlu dilakukan beberapa antisipasi sebelum pengukuran dilakukan. 3-12

13 Kamera Olympus menampilkan data pengukuran intensitas pada display LCD, data tersebut tampak pada bagian dalam pembidik (view finder ), bila lensa dilekatkan pada badan kamera. Saat lensa dilepaskan dari badan kamera, data tampilan pada display LCD tidak lagi tampak, namun pengukuran tetap dapat berlangsung secara otomatis. Ketika melakukan pengambilan data, perlu memperhatikan peningkatan pengukuran cahaya karena lensa kamera dilepas. Pengukuran menggunakan sumber cahaya laser, dengan intensitasnya yang tinggi dapat melebihi rentang sensitivitas kedua alat pengukuran di atas. 3.5 Kalibrasi Peralatan Pengukuran Cahaya. Kalibrasi dengan perangkat pengukuran standar tidak dilakukan, karena keterbatasan perangkat yang telah dikalibrasi sesuai standar. Penulis memilih salah satu perangkat yang memenuhi syarat untuk menjadi standar. Pilihan jatuh pada Lightmeter Seconik, dengan alasan sebagai berikut: 1. Lightmeter ini merupakan pengukur cahaya analog dengan sensitivitas lebih tinggi dan diproduksi dari perusahaan yang khusus membuat Lightmeter. 2. Kemudahan pemakaian dan pengamatan harga pengukuran. 3. Terdapat tabel konversi elektron volt (ev) terhadap variabel fotografi, yaitu kecepatan, bukaan (diafragma) dan kecepatan film (ISO/ASA). Berdasarkan pilihan diatas, dilakukan kalibrasi dengan langkah-langkah sebagai berikut: 3-13

14 a. Kalibrasi dilakukan ketika lensa kamera Olympus masih dilekatkan pada badan kamera. Data pengukuran cahaya tampak pada bagian dalam pembidik kamera. b. Pengukuran cahaya menggunakan lightmeter secara refleksi dan langsung. Khusus untuk pengukuran secara refleksi, data pengukuran diambil dari cahaya pantul sumber cahaya pada telapak tangan, teknik praktis fotografi untuk pengukuran cahaya. c. Obyek masukan, berupa tiga baris karakter latin yang dikenai sumber cahaya koheren. d. Pengambilan data dari 3 sampel pengukuran, masing-masing dilakukan 3 kali pengukuran, kemudian diambil harga rata-rata. 3.6 Pengukuran Cahaya dan Perhitungan Data untuk Perekaman Citra Data sampel pengukuran : 1. Pengukuran pada jarak +/- 65 cm dari lampu tungsten, 60 watt. Khusus untuk pengukuran menggunakan Lightmeter secara refleksi. 2. Pengukuran secara langsung pada bidang citra dengan obyek masukan dikenai berkas cahaya koheren. Hasil pengukuran rata-rata untuk langkah di atas, dapat dilihat pada tabel 3-1 dan 3-2. Dari data tabel 3-2, tampak pengukuran cahaya menggunakan kamera Olympus menunjukan harga yang sama dengan hasil pengukuran langsung pada lightmeter. Pengukuran secara langsung pada bidang citra (tabel 3-2) pada kedua alat pengukuran menunjukan harga yang sama karena intensitas cahaya merah dari sinar laser HeNe (632,8 nm) mempunyai intensitas yang lebih rendah dibanding cahaya putih sehingga pengukuran pada Lightmeter menurun. 3-14

15 Pengukuran untuk cahaya merah dari lightmeter dapat digunakan patokan untuk pengukuran cahaya merah pada Kamera Olympus. Perbedaan terjadi pada data tabel 3-1 pengukuran menggunakan lampu tungsten secara refleksi. Perbedaan ini karena metoda pengukuran lightmeter berdasarkan sistem refleksi. Dengan memperhitungkan pula absorpsi dan refleksi pada sistem lensa, dan perlu dilakukan antisipasi bila lensa dibuka. Dari 3-2 pengukuran pada bidang citra dapat digunakan menjadi patokan. Kedua pengukuran menunjukan harga yang sama. Berdasarkan konversi pengukuran cahaya di atas dengan menggunakan kamera Olympus. Untuk pengambilan data citra menggunakan kamera yang dilepas lensanya dan menggunakan film Pancromatic Asa 200, dilakukan antisipasi, antara lain: 1. Pencucian film dilakukan under 1 stop (Pull) dengan menganggap film ASA 200 sebagai film ASA Pada pencetakan film pada kertas foto intensitas cahaya dinaikan 1 stop atau pencahayaan pencetakan pada kertas foto untuk film ASA Waktu pencahayaan dipersingkat saat perekaman citra 3-15

16 Tabel 3-1 Pengukuran pada jarak +/- 65 cm dari lampu tungsten, 60 watt. Khusus untuk pengukuran menggunakan Lightmeter secara refleksi. Alat Data Pengukuran Pengukuran Kecepatan Bukaan Asa ev Olympus 1/ ,7 OM 707 AF Seconic L-188 1/ Tabel 3-2 Pengukuran secara langsung pada bidang citra dengan obyek masukan dikenai berkas cahaya koheren. Alat Data Pengukuran Pengukuran Kecepatan Bukaan Asa ev Olympus 1/ OM 707 AF Seconic L-188 1/ Tabel 3-3 Tabel Konversi Kuat Cahaya (ev) terhadap Waktu Pencahayaan (detik) untuk lensa dilepas dari badan kamera menggunakan ASA 200. Waktu Pencahayaan (detik) Kuat Cahaya (ev) Bukaan Diafragma 1/ /350 8,5 1 1/ /180 7,5 1 1/ /90 6,

17 1/ /45 5,5 1 1/ Untuk Film dengan ASA 100 waktu pencahayaan naik 1 tingkat 3.7 Perekaman Citra Perekaman citra dilakukan di bidang citra. Perekaman menggunakan dua kamera, yaitu: 1. Perekaman citra menggunakan Kamera Nikon FM Perekaman citra menggunakan Kamera Nikon F-50, dengan fasilitas Manual. Sebelum perekaman dilakukan pengukuran kuat cahaya (ev) di bidang citra. Pengukuran menggunakan Lightmeter Seconik yang telah dikalibrasi dengan kamera OM707AF. Kedua kamera tersebut dipilih karena kepraktisan pemakaian dan ketersediaan alat Kedua langkah perekaman citra pada percobaan ini, menggunakan film Kodak Pancromatic, ISO/ASA 200 dan Film Fuji Minicopy HR II, ISO/ASA