Analisis Kontras Optis Lapisan Lilin Lebah pada Buah Tomat dengan Metode Laser Speckle Imaging

Transkripsi

1 SSN Jrnal Fisika Unand Vol. 6, No., Janari 07 Analisis Kontras Optis Lapisan Lilin Lebah pada Bah Tomat dengan Metode Laser Speckle maging Khairini Fitri*, Harmadi Jrsan Fisika, Universitas Andalas ABSTRAK Analisis kontras optis lapisan lilin lebah pada bah tomat dengan metoda Laser Speckle maging (LS) telah dilakkan. Penelitian ini dilakkan ntk mengamati perbahan pola spekel akibat pengarh variasi konsentrasi lilin lebah. Pola spekel dianalisis menggnakan software magej dan Matlab, sehingga diperoleh karakteristik histogram distribsi intensitas serta kran blir spekel. Penyinaran dilakkan pada sampel sebelm dan setelah dilapisi lilin lebah dengan variasi konsentrasi %, 4%, 6%, 8%, 0% dan %. Hasil penelitian mennkkan bahwa terdapat korelasi antara konsentrasi lapisan lilin lebah dengan nilai kontras dan kran blir spekel. Semakin tinggi konsentrasi lapisan lilin lebah, maka nilai kontras dan kran blir spekel akan semakin menrn. Kata knci: pola spekel, kontras spekel, kran blir spekel ABSTRACT Optical contrast analysis of beeswax on tomato with laser speckle imaging method has been condcted. The research was condcted to see change of speckle pattern de to inflence of beeswax concentration variations. Speckle patterns was analyzed sing magej and Matlab, in order to obtain the characteristics of the intensity distribtion histogram and size of speckle. The radiation was condcted on samples before and after coated with beeswax with varios consentrations of %, 4%, 6%, 8%, 0% and %. The reslts show that there is a correlation between concentration of beeswax coating and contrast vale and size of speckle. The higher the concentration of beeswax is given, the lower contrast vale and size of speckle. Keywords: speckle pattern, kontras speckle, size of speckle. PENDAHULUAN Bah tomat merpakan salah sat komoditas hortikltra yang memiliki kandngan air yang ckp tinggi, yait lebih dari 93%. Kadar air yang tinggi mmnya mengakibatkan daya simpan rendah, sst bobot tinggi akibat pengapan (transpirasi), pernapasan (respirasi), perbahan fisik (keript), pertmbhan mikroba, serta perbahan fisikokimia bah menadi cepat (Hartti, 006). Untk it diperlkan saha ntk mencegah la kemndran dan proses kersakan tersebt agar beralan lambat. Menrt Winarno dan Wirakartaksmah (98), salah sat saha yang dilakkan ntk mencegah kersakan pasca panen sekaligs mempertahankan mr simpan akibat la respirasi dan transpirasi adalah dengan melakkan pelapisan lilin (waxing). Pelapisan lilin merpakan teknik penndaan kematangan yang bertan menghambat sirklasi dara dan menghambat kelayan. Hal ini mengakibatkan prodk yang disimpan tidak cepat kehilangan berat karena adanya transpirasi, serta mencegah/menghambat respirasi pada bah yang menyebabkan mr simpan bah makin lama. Tebal lapisan lilin yang dignakan ga hars diperhatikan. Winarno (98) menelaskan, tebal lapisan lilin yang dignakan hars seoptimal mngkin. Jika terlal tipis, maka saha dalam menghambat respirasi dan transpirasi krang efektif. Lapisan yang terlal tebal memngkinkan terttpnya sema pori-pori (stomata) komoditi. Apabila sema pori-pori terttp maka akan mengakibatkan teradinya respirasi anaerob. Respirasi anaerob merpakan respirasi yang teradi tanpa menggnakan O, sehingga sel melakkan perombakan di dalam tbh bah it sendiri yang dapat mengakibatkan proses pembskan lebih cepat dari keadaan yang normal (Roosmani, 975). Untk mendeteksi lapisan lilin pada bah diperlkan pengian secara non-destrctive terhadap sampel yang akan dii. Salah sat teknik imaging non-destrctive yang dignakan ntk mendeteksi sinyal optik dari aringan biologi adalah metode Laser Speckel maging (LS) (Rabal dan Braga, 009). Pada metode ini, material disinari berkas koheren dari laser sehingga teradi hambran dan membentk pola spekel pada bidang pengamatan (Ansari dan Nirala, 53

2 Jrnal Fisika Unand Vol. 6, No., Janari 07 SSN ). Sistem pencitraan spekel mendeteksi perbahan intensitas spekel laser yang didifraksikan pada sampel dengan analisis kontras spekel (Tamaki dkk, 994). Analisis kontras yang dignakan adalah analisis intensitas gray level (tingkat keab-aban) dari hasil citra sat sistem pencitraan spekel laser dengan menggnakan histrogram yang dignakan ntk klasifikasi dan pencocokan pola (Aspari, 009). Sistem LS ini memiliki kesederhanaan dalam pengesetan karena hanya terdiri dari tiga komponen tama yait laser sebagai smber cahaya, sampel dan sebah detektor cahaya. Kengglan LS adalah minim efek samping (nondectrctive, non-invasive, non-ionisasi) (Apsari, 009), memiliki pencitraan penh, akisisi data langsng, akrat, kantitatif dan biaya rendah (Harmadi, 0).. METODE. Alat dan Bahan Alat dan bahan yang dignakan dalam penelitian ini terdiri dari laser He-Ne 63,8 nm sebagai smebr cahaya, detektor 640x480 piksel berpa CCD (Charge Cople Device) 30 fps (frame per second), PC, kotak dari akrilik hitam, pemanas air, hoteplate, timbangan digital, gelas kr, lilin lebah, trietanolami dan asam oleat sebagai emlfisier, serta bah tomat.. Preparasi Sampel Bah dan Preparasi Lartan Lilin Lebah Bah tomat dibersihkan dengan menggnakan air bersih dan dikeringkan. Kemdian dilakkan pembatan emlsi lilin lebah dengan variasi konsentrasi 0 %, %, 4 %, 6%, 8%, 0%, %. Pembatan emlsi menggnakan perbandingan lilin : TEA : asam oleat, 6::. Dan volme lartan yang dignakan adalah 50 ml..3 Penysnan Sistem Pencitraan Optis dengan Metose LS Penysnan sistem pencitraan optis dengan metode LS terdiri dari smber laser He-Ne dengan λ = 63,8 nm berdaya kelaran 0,8 mw. Sensor kamera CCD 30 fps seri A4tech model PK-836F dan PC (Personal Compter) dengan software Ulead VideoStdio-0 sebagai komponen display visal ntk merekam dan menampilkan pola spekel. Perangkat LS diletakkan dalam kotak kedap cahaya, dari bahan akrilik. Ssnan rancangan sistem LS dapat dilihat pada Gambar. 54 Gambar Ssnan rancangan sistem LS Jarak optimm smber cahaya terhadap sampel i yang dignakan pada penelitian ini adalah 5 cm, sesai dengan panang rongga (cavity lenght) laser He-Ne (Griot, 005). Jarak sampel ke sensor kamera CCD adalah 4cm dan sdt optimm yang dignakan ntk mendapatkan citra adalah 30 o (Zdnek dan Cyblska, 0). Pengambilan citra spekel masingmasing bah tomat diambil pada seplh titik secara acak yang kemdian dirata-ratakan. CCD diarahkan tepat pada bah tomat sehingga ditangkap hasil dari penyinaran laser berpa pola spekel yang ditampilkan pada PC..4 Pengolahan Citra Pola Spekel ntk Mendapatkan Kontras Spekel Pola gelap terang dari spekel teradi karena frekensi yang berbeda, dimana pola gelap lebih dominan dari pada pola terang. Berdasarkan deskripsi tentang statistik distribsi intensitas

3 SSN Jrnal Fisika Unand Vol. 6, No., Janari 07 yang dihasilkan oleh spekel, diasmsikan bahwa medan yang koheren dengan panang gelombang λ menerangi permkaan sat bahan. Panang gelombang yang dipilih memiliki kran yang lebih kecil dari bahan yang dignakan. Kekasaran sat bahan akan menyebabkan distribsi keadaan yang acak. Medan cahaya pada titik tertent P (x, y, z) dalam pola spekel merpakan mlah dari total hambran N, yang mewakili distribsi dari sema titik pada permkaan hambran. Dalam pencahayaan dengan cahaya monokromatik dan cahaya yang dipolarisasikan secara penh, konstribsi dari medan pada keadaan P yang dihasilkan oleh setiap elemen permkaan,, diabarkan (Rabal dan Braga, 009), diberikan oleh Persamaan : P e i e ikr () r adalah arak (variasi acak) dari elemen hambran permkaan ke pada titik P. Amplitdo kompleks medan hambran di titik P ditliskan pada Persamaan sebagai: N N i N ikr U P P e e () N N N Tambahan dalam Persamaan merpakan cara acak dalam bidang kompleks dengan fasa acak ϕ =kr. Dengan mengasmsikan amplitdo dan fasa ϕ pada setiap komponen medan secara statistik independen (bebas/tidak bergantng) sat sama lain, dan tidak bergantng dari amplitdo dan fasa komponen medan lainnya. Fasa ϕ didistribsikan secara menylrh pada interval (-π,π), yang berarti bahwa permkaan kasar dibandingkan dengan panang gelombang, dan mlah hambran total N sangat besar, sehingga menamin validitas dari teorema limit sentral. Goodman telah mennkkan bahwa bagian riel dan imainer dari medan resltan adalah asimtotik Gassian (Goodman, 976 dan 984). Fngsi densitas probabilitas bersama diberikan oleh Persamaan 3: dengan nilai Circlar Gassian, r i U U r i P r, i U, U exp (3) N lim N (4) Dari Persamaan 3, dan dengan menghitng intensitas dan fasa ϕ medan resltan pada bagian riel dan imainer medan mengac pada Persamaan 5. U r cos (5) U r sin Selantnya probabilitas intensitas p() dan probabilitas fasa p(ϕ), diberikan oleh Persamaan 6 dan Persamaan 7. p e ntk 0 (6) p ntk (7) Dalam Persamaan 6, adalah nilai rata-rata intensitas pada diagram spekel. Berdasarkan da persamaan terakhir, distribsi intensitas mengikti hkm eksponensial negatif dimana fasa didistribsi secara merata dalam interval (-π,π). Distribsi keadian intensitas didefenisikan pada Persamaan 8, 55

4 Jrnal Fisika Unand Vol. 6, No., Janari 07 SSN n n n khss pada orde keda dinyatakan dalam Persamaan 9. dan n!! (8) (9) Persamaan ini mennkkan bahwa standar deviasi dari pola spekel terpolarisasi sama dengan nilai rata-rata intensitas. Dengan menghitng pola modlasi spekel yang dinyatakan sebagai kontras, didefenisikan pada Persamaan 0. C (0) Kontras merpakan gabngan dari pola spekel yang menadi kesatan. Berdasarkan persamaan di atas, adalah nilai rata-rata intensitas, σ adalah standar deviasi dari intensitas, dan C adalah kontras..5 Analisis Ukran Blir Spekel Chipoline (0) menelaskan, ntk menghitng kran spekel, dianggap permkaan kasar disinari cahaya koheren. Medan gelombang cahaya U o (x) yang membentk distribsi medan pada permkaan U o (x o ), dan permkaan mempnyai profil geometri s(x o ) seperti terlihat pada Gambar. Cahaya dipantlkan dari permkaan dengan probabilitas fase dan amplitdo yang sama. Selain it profil permkaan harslah lebih besar dari panang gelombang cahaya yang dignakan. Ukran spekel dapat dihitng dengan pendekatan statistik fase permkaan dan menganggap gelombang cahaya dari permkaan ke titik P. Gambar Parameter dasar ntk mengkr pola spekel (Smber: Chipoline, 0) Celah smber dilambangkan dengan A o kran spekel diperoleh dari perkalian dengan rms permkaan A s, diperlihatkan pada Persamaan. A. A z () s o Dimana z merpakan arak antara permkaan dengan bidang pengamat. Jika smber cahaya berbentk lingkaran dengan diameter D=(Δx) o dan arak smber bidang pengamat d, maka didapat Persamaan. A s z z 4 d Ao D D () 4 Las smber cahaya adalah A o =πd /4, sehingga las permkaan spekel (kran spekel Δx s ) diperlihatkan pada Persamaan 3. 4 d x s (3) D 4 6 d x s D 56

5 SSN Jrnal Fisika Unand Vol. 6, No., Janari 07 x s 4d, 7d D D. HASL DAN DSKUS 3. Korelasi Kontras Spekel dengan Konsentrasi Emlsi Lilin Hasil pencitraan pola spekel yang diolah menggnakan software magej terlihat secara mm berpa pola gelap terang yang bervariasi dan didistribsikan secara acak dimana bintik gelap lebih banyak daripada bintik terang. Gambar 3 merpakan perbandingan pola spekel pada bah tomat sebelm dilapisi lilin lebah dengan yang sdah dilapisi lilin lebah. Pada Gambar 3 (a) dapat dilihat strktr berpa bliran hals pada permkaan bah tomat. Setelah dilapisi emlsi lilin lebah, pola spekel yang terbentk semakin rapat, seperti yang terlihat pada Gambar 3 (b) dan (c). Hal ini teradi karena permkaan bah tomat yang awalnya tidak rata, setelah dilapisi emlsi lilin lebah menadi lebih rata. (a) (b) (c) Gambar 3 (a) Pola spekel bah tomat sebelm dilapisi lilin lebah, (b) pola spekel tomat setelah dilapisi lilin lebah 6%, dan (c) pola spekel tomat setelah direndam lilin lebah %. Tabel Nilai kontras bah tomat sebelm dilapisi lilin lebah No. Sampel Nilai Kontras (a.). 0, , , , , , , , , , , , , , , , , ,08864 Rata-rata (a.) 0, Standar deviasi (Sn) 0,00465 Ketelitian (%) 99, Presentase kesalahan (%) 0,05637 Secara keselrhan nilai kontras spekel bah tomat sebelm direndam dengan lapisan lilin lebah dapat diamati melali Tabel. Berdasarkan Tabel di bawah dapat dilihat bahwa nilai kontras ntk setiap sampel i relatif sama sebelm dilapisi lilin lebah. Hal ini dapat dilihat dari nilai standar deviasi sebesar 0,00465 dengan ketelitian 99,995385% dan tingkat kesalahan 57

6 Jrnal Fisika Unand Vol. 6, No., Janari 07 SSN ,05637%. Data statistik yang diperoleh ini mennkkan nilai kontras bah tomat sebelm dilapisi lilin lebah relatif sama, berkisar 0, a.. Secara teori, Goodman (975) menelaskan bahwa kontras spekel memiliki nilai antara 0 dan. Kontras spekel bernilai mennkkan nilai probabilitas intensitas bernilai maksimm, sedangkan kontras yang bernilai 0 berarti tidak ada pola spekel yang teramati ata tidak elas/bram (Boas dan Dnn, 00). dealnya kontras spekel tidak ada yang bernilai, karena pada aringan biologis terdapat lapisan yang menyebabkan interferensi cahaya pada permkaan yang disinari laser, sehingga nilai kontras spekel berada pada rentang 0 dan. Gambar 4 Sampel setelah dilapisi lilin lebah dengan variasi konsentrasi Nilai kontras bah tomat yang dilapisi lilin lebah dengan variasi konsentrasi secara mm tampak pada Gambar 4. Berdasarkan gambar tersebt dapat dilihat perbahan nilai kontras spekel bah tomat yang dilapisi lilin lebah dengan variasi konsentrasi. Berdasarkan fngsi transfer yang diperoleh dapat dilihat hbngan perbahan nilai kontras terhadap kenaikan nilai konsentrasi yait y = -0,00x + 0, Variabel x merpakan besaran ntk konsentrasi emlsi lilin lebah dan y adalah besaran ntk nilai kontras. Fngsi tersebt mennkkan bahwa setiap perbahan konsentrasi emlsi lilin lebah sebesar % mengakibatkan perbahan nilai kontras sebesar 0,00 a.. Nilai 0,00889 merpakan nilai offset yang menyatakan bahwa nilai kontras bah tomat sebelm dilapisi emlsi lilin lebah adalah sebesar 0,00889 a.. Menrnnya nilai kontras dipengarhi oleh konsentrasi lapisan lilin lebah yang semakin besar. Hal ini dapat dilihat pada arah regresi yang bernilai negatif (-0,00). Selain it nilai koefisien kolerasi (R ) 0,9753 memperlihatkan bahwa adanya hbngan erat antara konsentrasi lapisan lilin lebah dengan nilai kontras spekel yang dihasilkan. 3. Korelasi Ukran Blir Spekel dengan Konsentrasi Emlsi Lilin Lebah Perhitngan kran blir spekel dilakkan dengan menggnakan metoda atokorelasi pada Matlab. Gambar 5 merpakan grafik yang mennkkan perbahan kran blir spekel pada variasi konsentrasi. Berdasarkan grafik tersebt terlihat bahwa kran blir spekel bergantng pada konsentrasi lapisan lilin lebah yang dignakan. Hal tersebt dapat dilihat melali fngsi transfer yang diperoleh yait y = -0,045x + 7,469, dimana x merpakan besaran ntk konsentrasi emlsi lilin lebah dan y adalah besaran ntk kran blir spekel. Fngsi tersebt mennkkan bahwa setiap kenaikan konsentrasi % mengakibatkan perbahan nilai kran blir spekel sebesar 0,045 µm. Nilai 7,469 merpakan nilai offset yang menyatakan bahwa kran blir spekel bah tomat sebelm lapisi emlsi lilin lebah adalah sebesar 7,469 µm. Nilai koefisien kolerasi (R ) 0,936 mengindikasikan adanya korelasi yang kat antara kran blir dengan konsentrasi lapisan lilin lebah. Hal ini disebabkan karena semakin tinggi konsentrasi lapisan lilin lebah mlah pori pada permkaan bah tomat akan berkrang, sehingga pola spekel yang terbentk menadi semakin rapat seperti yang terlihat pada Gambar 3. 58

7 SSN Jrnal Fisika Unand Vol. 6, No., Janari 07 Gambar 5 Ukran blir spekel berdasarkan variasi konsentrasi pada bah tomat 3.3 Korelasi Ukran Blir Spekel dengan Nilai Kontras Ukran blir spekel dan nilai kontras pada bah tomat yang dilapisi emlsi lilin lebah memiliki kecendrngan yang sama. Hal tersebt dapat dilihat pada Gambar 6. Gambar 6 Korelasi kran blir spekel dengan nilai kontras Gambar 6 mennkkan korelasi kran blir spekel dengan nilai kontras. Ukran blir spekel sebanding dengan nilai kontras, dimana setiap kenaikan nilai kontras maka kran blir spekel ga akan naik. Bertambahnya konsentrasi lapisan lilin lebah membat lapisan yang terbentk semakin rapat, sehingga hambran cahaya yang ditangkap semakin lemah. Hal ini membat kran blir dan kontras spekel menadi semakin kecil. V. KESMPULAN Lapisan lilin lebah pada bah tomat dapat dideteksi menggnakan sistem LS dengan analisa perbahan nilai kontras dan kran blir spekel, dimana nilai kontras sebanding dengan kran blir spekel. Kenaikan konsentrasi membat nilai kontras dan kran blir semakin kecil. DAFTAR PUSTAKA Ansari, Z.M., and Nirala, A.K., 0, Activity Assessment of Frits Using the Methods of nertia Moment and Absolte Vale of the Diffrences, Jornal of Advanced Laser and Optics Research, Vol., hal 7-6. Apsari, R., 009, Sistem Fzzy Berbasis Laser Speckel maging ntk Deteksi Mtilasi Enamel Gigi Akibat Paparan Laser ND: Y AG, Disertasi, PPs, Universitas Airlangga, Srabaya. Boas, D. A., and Dnn, A. K., 00, Laser Speckle Contrast maging in Biomedical Optics, Jornal of Biomedical Optics, Vol. 5(), 009. Chipoline, A., 0, Spatial Noise and Speckel, abbe School of Photonics, Freidrich-Schiller Universitat. 59

8 Jrnal Fisika Unand Vol. 6, No., Janari 07 SSN Goodman, J.W., 975, Statistical Properties of Laser Speckle Patterns, Laser Speckle and Related Phenomena, J.C. Dainty, Ed., pp. 9-75, Springer-Verlag, Berlin. Goodman, J.W., 976, Some Fndamental Properties of Speckel Jornal of Optical Society of America, Vol. 66, No., Harmadi, 0, Aplikasi Pola Spekel Aksto-Optik ntk Pendeteksian Vibrasi Akstik pada Dental Plaqe Biofilm, Disertasi, PPs, Unversitas Airlangga, Srabaya. Rabal, H.J., and Braga, R.A, 009, Dynamic Laser Speckel and Application, Optical science and engineering: 39, Taylor &Francis Grop, LLC. Roosmani, A.B., 975, Percobaan Pendahlan terhadap Bah-bahan dan Sayr-sayran ndonesia, Bletin Penelitian Hortikltra LPH Pasar Mingg, 3():7-, Jakarta. Tamaki, Araie, Kawamoto, Egchi, dan Fi, 994, Non-contact, Two Dimension Measrement of Retinal Microsirclation Using Laser Speckel Phenomenon, nvest. Opt. Mol. Vis. Sci., 35, Winarno, F. G, dan Wirakartaksmah, M. A.., 98, Fisiologi Lepas Panen, PT Sastra Hdaya, Jakarta. Zdnek, A., Cyblska, J., 0, Relation of Biospeckle Activity with Qality Attribtes of Apples, Vol., Sensors, hal Griot, M., 005, ntrodction to Laser Technology, diakses Desember 05. Hartti., 006, ptek Hortikltra, diakses Maret