Optika Geometri: Pengertian, Prinsip, Cakupan, dan Aplikasi [Lengkap + Referensi]

Optika geometri adalah sebuah pendekatan untuk mempelajari ilmu optika ketika panjang gelombang yang ditinjau jauh lebih kecil ukurannya dibandingkan dimensi peralatan yang mempelajarinya dan energi fotonya jauh lebih rendah dibandingkan sensitivitas peralatan.

Jika terdapat suatu permasalahan yang berkaitan dengan optika, terdapat empat jenis pendekatan yang dapat kita terapkan. Apakah itu pendekatan optika geometri, optika gelombang, optika elektromagnetik, atau optika kuantum. Pertanyaannya adalah pendekatan mana yang paling cocok untuk menyelesaikan permasalahan optika? Nah untuk menjawab hal tersebut kita harus mengetahui dengan lebih detail pengertian, prinsip, dan cakupan dari setiap pendekatan. Pada artikel ini akan dibahas secara mendetail pendekatan optika geometri. Kamu juga bisa mendiskusikan pendekatan optika geometri ini ke guru atau tentor les fisika masing-masing.

1. Pengertian Optika

Berdasarkan kamus Merriam-Webster, Optika adalah ilmu pengetahuan yang mempelajari tentang pembangkitan dan penyebaran cahaya, perubahan yang dialami dan dihasilkannya, serta fenomena lain yang terkait erat dengannya [1]. Optika sendiri adalah salah satu pokok bahasan dalam ilmu fisika dan diajarkan di Indonesia sejak kelas VIII SMP dan diteruskan pada jenjang SMA.

Dalam membahas optika sendiri, Saleh dkk dalam bukunya “Fundamental of Photonics” membagi optika dalam empat pendekatan yakni optika geometri atau optika berkas (ray optics), optika gelombang (wave optics), optika elektromagnetik (electromagnetic optics), dan optika kuantum (quantum optics) [2]. Sementara itu Feynmann dalam bukunya “The Feynmann Lecture on Physics” membagi pendekatan optika dalam tiga kategori yakni optika geometri (geometrical optics), optika gelombang (wave optics), dan optika kuantum (quantum optics) [3]. Pada artikel ini akan difokuskan pada pembahasan optika geometri atau optika berkas.

Optika geometri adalah sebuah pendekatan untuk mempelajari ilmu optika ketika panjang gelombang yang ditinjau jauh lebih kecil ukurannya dibandingkan dimensi peralatan yang mempelajarinya dan energi fotonya jauh lebih rendah dibandingkan sensitivitas peralatan. Oleh karena itu, dalam menganalisis sistem optika menggunakan pendekatan optika geometri parameter seperti panjang gelombang dan karakteristik foton tidak menjadi bahasan. Feynmann sendiri mengungkapkannya dengan “…..geometrical optics region, in which we forget about the wavelength and the photon character of the light….” [3].

Lebih lanjut, perbedaan ketiganya adalah sebagai berikut:

1. Optika Geometri: Optika geometri mempelajari cahaya sebagai partikel atau “bundel” sinar, tanpa mempertimbangkan sifat gelombangnya. Ini fokus pada studi tentang pembiasan, pembelokan, dan pembentukan gambar oleh lensa dan cermin. Optika geometri digunakan untuk memahami pembentukan gambar dalam sistem optik, seperti kamera, mikroskop, dan mata manusia. Ini didasarkan pada prinsip-prinsip dasar seperti hukum pembiasan Snell dan hukum cermin datar.
2. Optika Gelombang: Optika gelombang memandang cahaya sebagai gelombang elektromagnetik. Ini mempertimbangkan sifat gelombang cahaya seperti difraksi, interferensi, polarisasi, dan dispersi. Optika gelombang digunakan untuk menjelaskan fenomena yang tidak dapat dijelaskan dengan pendekatan partikel dalam optika geometri. Dalam konteks ini, cahaya dianggap sebagai gelombang elektromagnetik yang merambat melalui medium tertentu dan menunjukkan sifat interferensi dan difraksi.
3. Optika Kuantum: Optika kuantum, atau fisika kuantum, memperlakukan cahaya sebagai partikel foton. Ini menggambarkan perilaku cahaya dan partikel lainnya dalam skala subatomik. Optika kuantum menjelaskan fenomena seperti efek fotoelektrik, di mana cahaya menghasilkan emisi elektron dari permukaan logam, serta konsep-konsep seperti polarisasi foton dan superposisi. Fisika kuantum juga membahas prinsip-prinsip dasar seperti dualitas gelombang-partikel, di mana partikel seperti foton dapat menunjukkan sifat gelombang dalam kondisi tertentu.

2. Prinsip Optika Geometri

Prinsip yang mendasari optika geometri adalah prinsip Fermat yang disebut “Fermat’s principle of least time”. Dari prinsip tersebut kemudian diturunkan berbagai cakupan optika geometri seperti pemantulan (reflection) dan pembiasan cahaya (refraction).

Fermat dengan nama lengkap Pierre de Fermat adalah seorang matematikawan Prancis yang pertama kali secara empiris merumuskan hukum mengenai perilaku cahaya pada tahun 1650 yang disebut “prinsip waktu terpendek” atau “prinsip fermat” atau “prinsip fermat mengenai waktu terpendek” [3]. Bunyi dari prinsip Fermat adalah sebagai berikut:

Menggunakan prinsip Fermat, kita harus mencari cara agar waktu dari semua cahaya yang datang dari sumber cahaya ke titik penerima memiliki waktu yang sama. Misalnya kita hendak menerapkan prinsip Fermat untuk meninjau suatu lensa, bagaimana caranya?

Misalnya pada gambar diatas terdapat sebuah lensa cembung yang materialnya terbuat dari kaca. Kita dapat menerapkan prinsip Fermat untuk merumuskan persamaan matematis dari lensa tersebut.

atau dapat dihilangkan h² menjadi (1/s)+(n/s′)=(n−1)/R

3. Cakupan Optika Geometri

a. Pemantulan Cahaya 

Pemantulan cahaya adalah proses terjadinya peristiwa peruahan arah rambat berkas cahaya yang mengenai permukaan bidang pantul ke sisi medium asalnya. Dalam bahasa sederhana, pemantulan cahaya adalah proses terpancarnya kembali cahaya dari permukaan benda yang terkena cahaya.M enurut karakteristik bidang pantul, pemantulan cahaya dibedakan menjadi dua yaitu, pemantulan teratur dan pemantulan baur. Untuk Optika Geometri, yang dipelajari adalah pemantulan teratur yang terjadi pada cermin datar dan cermin lengkung seperti cermin cekung, cermin cembung, cermin ellipsoidal atau cermin parabola. 

a. Hukum pemantulan cahaya

Hukum Snellius pada pemantulan cahaya mengatakan, sinar datang, sinar pantul dan garis normal bertempat pada satu bidang datar dan masing-masing berpotongan di satu titik. Dalam pemantulan cahaya, konsep yang harus dipegang adalah besarnya sudut pantul sama dengan besar sudut datang.

b. Cermin datar

Cermin datar adalah benda yang permukaannya datar dan transparan yang dilapisi berupa lapisan cat logam di bagian belakang yang berfungsi bidang pantul. Selaras dengan hukum pemantulan, sinar yang jatuh dengan sudut datang i di atas cermin datar akan dipantulkan dengan sudut pantul r yang besarnya sama dengan i. Cermin datar menghasilkan bayangan maya, tegak dan sama besar terhadap benda.

c. Cermin cekung

Tidak hanya pada cermin datar, tetapi pemantulan cahaya juga terjadi pada cermin lengkung. Cermin lengkung, ada dua jenis yaitu cermin cekung dan cermin cembung. Cermin cekung adalah cermin yang sisi depannya melengkung ke dalam. Sifat bayangan yang dihasilkan cermin datar bergantung pada letak benda di depan cermin. 

Sinar-sinar istimewa cermin cekung, yaitu:

1. Sinar datang sejajar dengan sumbu utama dipantulkan melewati titik fokus
2. Sinar datang melewati titik fokus dipantulkan sejajar dengan sumbu utama
3. Sinar datang melewati titik pusat lengkung dipantulkan kembali ke titik tersebut 

d. Cermin cembung 

Cermin cembung adalah cermin lengkung yang sisi depannya melengkung ke luar. Karena pusat lengkung terletak di belakang maka titik fokus pada cermin juga di belakang sehingga jarak fokus bernilai negatif. Sifat bayangan yang dihasilkan cermin cembung adalah maya, tegak dan diperkecil. 

Sinar-sinar istimewa cermin cembung, yaitu:

1. Sinar yang datang sejajar dengan sumbu utama dipantulkan seolah berasal dari titik fokus 
2. Sinar yang datang ke titik fokus dipantulkan sejajar dengan sumbu utama
3. Sinar yang datang ke titik pusat lengkung dipantulkan kembali seolah berasal dari titik tersebut

e. Cermin ellipsoidal

Cermin ellipsoidal menggunakan konsep pemantulan untuk memusatkan energi cahaya. Pada umumnya cermin dibuat dengan melapiskan material reflektif seperti aluminium atau perak. Jumlah jarak dari dua titik (r₁ dan r₂) adalah konstan untuk setiap titik pada permukaan elips dan memusatkan cahaya pada titik fokus elips.

Kelebihan cermin ellipsoidal:

1. Bekerja dengan konsep pemantulan sehingga lebih sederhana dan lebih mudah dibuat dibandingkan lensa.
2. Dapat memusatkan berbagai panjang gelombang pada suatu titik.
3. Tidak terdapat penyerapan energi cahaya oleh permukaan cermin.
4. Terdapat 1 variabel saja yang harus direkayasa yakni geometri elips.

Kekurangan cermin ellipsoidal:

1. Sumber cahaya harus terletak pada salah satu titik fokus elips.
2. Material reflektif yang melapisi dapat mengalami degradasi sehingga perlu dilakukan penggantian secara berkala untuk dapat memusatkan cahaya.

f. Cermin parabola

Cermin parabola menggunakan konsep pemantulan untuk memusatkan energi cahaya. Pada umumnya cermin dibuat dengan melapiskan material reflektif seperti aluminium atau perak. Cahaya seolah olah jatuh secara tegak lurus akan dipusatkan pada titik pusat parabola.

Kelebihan cermin parabola:

1. Bekerja dengan konsep pemantulan sehingga lebih sederhana dan lebih mudah dibuat dibandingkan lensa.
2. Dapat memusatkan berbagai panjang gelombang pada suatu titik
3. Tidak terdapat penyerapan energi cahaya oleh permukaan cermin
4. Terdapat 2 variabel yakni jari jari kelengkungan dan diameter cermin parabola
5. Titik pemusatan cahaya tidak bergantung pada perubahan posisi sumber cahaya

Kekurangan cermin parabola:

1. Tidak dapat memusatkan cahaya selain pada pusat parabola.
2. Dibutuhkan sumber cahaya yang cukup jauh sehingga berkas cahaya dapat tiba di
   bidang imajiner depan parabola dalam waktu yang bersamaan
3. Material reflektif yang melapisi dapat mengalami degradasi sehingga perlu dilakukan
   penggantian secara berkala untuk dapat memusatkan cahaya

g. Rumus umum cermin lengkung 

Hubungan antara jarak fokus, jarak bayangan dan jarak benda terhadap cermin lengkung dinyatakan dengan persamaan seperti berikut:

1/f = 1/s + 1/s’

Keterangan :

f = jarak fokus cermin (cm) 

s = jarak benda dari pusat cermin (cm) 

s’ = jarak bayangan dari pusat cermin (cm) 

b. Pembiasan Cahaya 

Pembiasan cahaya adalah peristiwa optika geometri yang terjadi karena pembelokan arah rambat cahaya saat berkas cahaya memasuki medium yang kerapatan optiknya berbeda. Ketika cahaya bertemu dengan bidang batas antara 2 medium berbeda kerapatan, maka cahaya akan dibelokkan. 

a. Hukum Pembiasan Cahaya 

Hukum Snellius mengatakan bahwa, sinar datang, sinar bias dan garis normal bertempat pada satu bidang datar. Jika sinar datang dari medium kerapatan renggang ke medium yang lebih rapat, maka sinar dibelokkan mendekati garis normal. Namun, jika sinar datang dari medium lebih rapat ke medium yang lebih renggang, maka sinar akan dibelokkan menjauhi garis normal. 

b. Lensa Cembung 

Lensa cembung adalah salah satu benda yang dapat membiaskan cahaya karena di salah satu atau kedua permukannya berbentuk melengkung ke luar. Secara geometris, lensa cembung adalah lensa yang mempunyai ketebalan paling besar pada bagian pusat. Sifat bayangan yang dihasilkan lensa cembung tergantung pada letak benda di depan lensa. 

c. Lensa Cekung 

Lensa cekung merupakan lensa yang salah satu atau kedua permukannya berbentuk melengkung ke dalam, sehingga membentuk bagian yang tipis pada pusatnya. Sifat bayangan yang dihasilkan lensa cekung tidak tergantung pada letak benda. Untuk segala posisi, sifat yang dihasilkan akan selalu maya, tegak dan diperkecil. 

Sinar-sinar istimewa lensa cekung, yaitu:

1. Sinar yang datang sejajar sumbu utama dibiaskan seolah-olah bersumber dari titik fokus aktif
2. Sinar yang datang seolah-olah menuju titik fokus pasif dibiaskan sejajar dengan sumbu utama
3. Sinar datang melewati titik pusat optik diteruskan, tanpa pembiasan

d. Rumus Umum Lensa 

Hubungan antara jarak fokus, jarak benda dan jarak bayangan terhadap lensa sama seperti persamaan umum pada cermin. Untuk tambahan, pada lensa diketahui istilah kekuatan lensa. Kekuatan lensa dapat diketahui dengan rumus:

P = 1/f

Keterangan:

P = kekuatan lensa (dioptri) 

f = jarak fokus lensa (m) 

4. Aplikasi

a. Mata

Mata adalah salah satu alat optik yang sudah familiar karena kita gunakan sehari-hari. Organ mata ini memiliki lensa cembung yang ketebalannya dapat diatur. 

b. Lup/Kaca Pembesar

Lup atau kaca pembesar merupakan alat optik yang dipakai untuk membaca tulisan dengan ukuran lebih kecil atau bisa juga digunakan untuk melihat bagian yang relatif kecil. Kaca pembesar terdiri atas 1 lensa cembung yang berguna untuk menghasilkan bayangan yang lebih besar. 

5. Peluang Riset Optika Geometri

Ada banyak peluang riset menarik yang terkait dengan optika geometri, terutama dengan kemajuan teknologi dan kebutuhan aplikasi praktis. Beberapa topik riset potensial di bidang optika geometri meliputi:

1. Optika Kamera dan Penglihatan Komputer:
   • Perancangan kamera yang lebih baik dengan kualitas gambar yang lebih tinggi dan sensitivitas cahaya yang lebih baik.
   • Pengembangan teknik penglihatan komputer berbasis optika untuk pengenalan objek, pelacakan gerakan, dan pemahaman konten gambar.
2. Optika Mikroskop dan pencitraan:
   • Pengembangan mikroskop optik yang lebih canggih untuk melihat objek dalam skala nanometer atau sub-nanometer.
   • Pengembangan teknik pencitraan non-invasif untuk pengamatan struktur dan fungsi jaringan biologis dalam waktu nyata.
3. Optika Medis:
   • Pengembangan teknologi optika untuk diagnosis dan pemantauan penyakit, seperti kanker, menggunakan teknik pencitraan yang tidak invasif.
   • Studi tentang efek optika pada pengobatan laser dalam kedokteran, termasuk teknik ablasi dan pengangkatan jaringan.
4. Optika Sistem Penglihatan:
   • Pengembangan sistem optika yang dapat meningkatkan penglihatan manusia, seperti lensa kontak pintar atau sistem implan mata yang dapat mengoreksi berbagai masalah penglihatan.
   • Riset tentang optika adaptif untuk meningkatkan ketajaman penglihatan dalam kondisi cahaya yang berbeda.
5. Optika Lingkungan:
   • Penggunaan optika untuk memahami dan mengatasi masalah lingkungan, seperti monitoring polusi air dan udara menggunakan teknik spektroskopi optik.
   • Pengembangan sensor optik untuk mendeteksi gas beracun atau bahan kimia berbahaya dalam lingkungan.

Setiap topik riset ini dapat memberikan kontribusi signifikan terhadap perkembangan ilmu optika geometri dan aplikasinya dalam berbagai bidang kehidupan.

Demikian penjelasan mengenai optika geometri, jika kamu ingin membaca topik materi sekolah lainnya dapat juga mengunjungi blog ilmu pengetahuan untuk pelajar Indonesia.

Referensi:

[1] “Optics.” Merriam-Webster.com Dictionary, Merriam-Webster, https://www.merriam-webster.com/dictionary/optics. Diakses 26 Desember 2020.
[2] Saleh, B. E., & Teich, M. C. (2019). Fundamentals of photonics. john Wiley & sons.
[3] Feynman, R. P., Leighton, R. B., & Sands, M. (2011). The Feynman lectures on physics, Vol. I: The new millennium edition: mainly mechanics, radiation, and heat (Vol. 1). Basic books.