Definisi, Contoh dan Fungsi Alat Optik, Materi Fisika Kelas XI SMA

Alat optik adalah alat-alat yang menggunakan lensa dan/atau cermin untuk memanfaatkan sifat-sifat cahaya yaitu dapat dipantulkan dan dapat dibiaskan, cahaya tersebut digunakan untuk melihat. Selain dari mata kita, alat-alat optik digunakan bersamaan dengan mata kita, bisa juga untuk membantu kita melihat ataupun membutuhkan mata kita untuk menggunakannya.

Jenis Alat Optik

Alat optik terdiri dari dua macam: alat optik alamiah dan alat optik buatan.

Alat optik alamiah tentu saja adalah mata kita, sedangkan alat optik buatan adalah alat-alat optik yang dibuat oleh manusia seperti kaca mata, kamera, lup/kaca pembesar, mikroskop, periskop, teropong, proyektor dan masih banyak lagi.

1. Mata

Mata merupakan salah satu organ tubuh yang sangat penting dan merupakan suatu karunia yang amat luar biasa dengan mata kita bisa melihat.

Mata berfungsi dengan cara menerima, memfokuskan, dan mentransmisikan cahaya melalui lensa mata yang menghasilkan bayangan objek yang kemudian ditangkap oleh retina mata. Bayangan objek yang ditangkap retina tersebut kemudian dikirmkan ke otak melalui saraf optik untuk kemudian diolah menjadi gambar yang mampu kita lihat secara nyata.

Mata hampir berbentuk bulat dengan diameter sekitar 2,5 cm dan dibungkus cangkang (sclera) berwarna putih yang keras sebagai pelindung.

Secara umum fungsi bagian-bagian mata dibagi menjadi dua yakni bagian luar mata (kelopak mata, bulu mata, alis mata dan kelenjar air mata) dan bagian dalam mata.

• Lensa mata berfungsi untuk memfokuskan agar cahaya atau bayangan yang masuk jatuh di retina mata.
• Pupil bertugas mengatur jumlah cahaya yang masuk ke bola mata.
• Sklera melindungi bola mata terhadap ganguan luar yang bersifat mekanis (ex. benturan) serta berfungsi untuk menjaga bentuk bola mata.
• Koroid berfungsi memelihara retina dan mencegah terjadinya pemantulan cahaya di dalam ruang internal mata dengan cara menyerap cahaya yang tidak diperlukan.
• Retina menjadi tempat penerimaan cahaya dan tempat jatuhnya bayangan benda.
• Saraf optik akan meneruskan informasi bayangan benda yang diterima retina menuju otak.
• Otot siliari mengatur kelengkungan lensa mata. Pengaturan kelengkungan ini diperlukan agar bayangan benda jatuh tepat di retina.

a. Akomodasi

Daya Akomodasi mata atau daya suai mata adalah kemampuan otot siliar untuk menebalkan atau memipihkan kecembungan lensa mata yang disesuaikan dengan dekat atau jauhnya jarak benda yang dilihat mata.

Sehingga dalam melihat bendabenda pada jarak tertentu perlu mengubah kelengkungan lensa mata. Untuk mengubah kelengkungan lensa mata, yang berarti mengubah jarak titik fokus lensa merupakan tugas otot siliar.

Hal ini dimaksudkan agar bayangan yang dibentuk oleh lensa mata selalu jatuh di retina. Pada saat mata melihat dekat lensa mata harus lebih cembung (otot-otot siliar menegang) dan pada saat melihat jauh lensa harus lebih pipih (otot-otot siliar mengendur).

Kemampuan manusia untuk melakukan akomodasi mata terbatas sehingga memerlukan bantuan lensa untuk memperjelas pandangannya pada objek yang dilihat.

b. Batas Daya Akomodasi

Manusia memiliki dua batas daya akomodasi (jangkauan penglihatan) yaitu dekat dan jauh :

1) Titik dekat mata (punctum proximum) adalah jarak benda terdekat di depan mata yang masih dapat dilihat dengan jelas. Untuk mata normal (emetropi) titik dekatnya berjarak 10cm s/d 20cm (untuk anak-anak) dan berjarak 20cm s/d 30cm (untuk dewasa). Titik dekat disebut juga jarak baca normal (S_n = 25 cm). Ketika mata melihat pada titik dekat, mata dalam keadaan akomodasi maksimum.

2) Titik jauh mata (punctum remotum) adalah jarak benda terjauh di depan mata yang masih dapat dilihat dengan jelas. Untuk mata normal titik jauhnya adalah "tak terhingga (S_r = ~). Ketika mata melihat titik jauh tak hingga, mata tak berakomodasi.

Cacat Mata

Macam-macam cacat mata: miopi, hipermetropi, presbiopi, astigmatisma, katarak, dan glukoma. Penderita mata miopi yaitu orang yang berpenglihatan dekat tidak dapat melihat benda-benda yang jaraknya jauh karena bayangan difokuskan di depan retina sehingga diperlukan lensa cekung untuk memperbaiki cacat ini.

Penderita mata hipermetropi yaitu orang yang berpenglihatan jauh tidak dapat melihat benda-benda yang jaraknya dekat karena bayangan difokuskan dibelakang retina sehingga diperlukan lensa cembung untuk memperbaiki cacat ini.

Sedangkan pada penderita mata astigmatisma yaitu orang yang berpenglihatan  ketidaksempurnaan yang umum pada lengkungan permukaan depan mata atau lensa, di dalam mata, melengkung berbeda ke arah yang berbeda sehingga diperlukan lensa silindris untuk memperbaiki cacat ini.

2. Kaca Mata

Kaca mata merupakan alat optik yang digunakan untuk membantu melihat pada orang yang memiliki cacat mata, baik itu rabun jauh, rabun dekat, ataupun mata silindris. kaca mata terdiri dari lensa (tergantung jenis cacat matanya), frame atau kerangka yang menyangga lensa.

Kaca mata berfungsi dengan cara mengatur bayangan agar jatuh tepat di retina, dengan cara menjauhkan titik jatuh bayangan pada penderita rabun jauh dan mendekatkan titik jatuh bayangan pada penderita rabun dekat.

Jauh dekatnya bayangan terhadap lensa (kaca mata) yang digunakan tergantung pada letak objek, jarak fokus lensa, dan kekuatan atau daya lensa.

Kekuatan atau daya lensa dirumuskan dengan:

P=1/f

Keterangan:
P = kekuatan atau daya lensa (dioptri)
f = jarak fokus lensa (meter)

Untuk mencari jarak fokus lensa, kita bisa mendapatkannya dengan menggunakan rumus:

Keterangan:
s = jarak benda ke lensa (meter)
s’ = jarak bayangan ke lensa (meter)

Oleh karena itulah saat memeriksa mata ke dokter, kita diminta membaca rangkaian huruf-huruf di depan kita dengan jarak yang sudah ditentukan sehingga dokter dapat menentukan jarak fokus lensa untuk mengetahui besarnya daya lensa yang dibutuhkan.

3. Kamera

Kamera merupakan alat untuk menghasilkan foto. Ada dua jenis kamera yang umum dikenal, yaitu kamera digital dan kamera analog. Saat ini yang akan dibahas adalah kamera analog.

Cara kerja kamera hampir sama dengan cara kerja mata, yakni cahaya masuk difokuskan oleh lensa dan kemudian ditangkap oleh retina yang merupakan film pada kamera. Rumus untuk mencari titik fokus pada lensa kamera sama seperti yang kita gunakan pada lensa kaca mata.

Kamera terdiri atas sebuah lensa cembung, diafragma, dan film. Lensa pada kamera dapat diubah-ubah letaknya sedemikian agar bayangan yang dibentuk lensa selalu terletak tepat pada film. Sifat bayangan yang dibentuk kamera adalah nyata, terbalik, dan diperkecil.

4. Lup

Lup atau kaca pembesar hanya terdiri dari satu lensa positif dan berfungsi untuk memperbesar ukuran bayangan yang terbentuk di retina. Lup sebenarnya merupakan lensa cembung yang diletakkan antara mata dengan benda yang akan diamati.

Lup banyak digunakan oleh tukang arloji untuk melihat komponenkomponen arloji yang berukuran kecil.

Cara menggunakan Lup

Ada 2 cara dalam menggunakan lup, yaitu dengan mata berakomodasi dan dengan mata tak berakomodasi. 

• Untuk mata berakomodasi maksimum, benda diletakkan diantara f dan o atau jarak benda (So) selalu lebih kecil dari pada jarak titik api (f).
• Untuk mata tidak berakomodasi, benda diletakkan tepat di titik api (f) atau jarak benda (So) sama dengan jarak titik api lup (f).

Untuk mengamati benda dalam waktu yang cukup lama, sebaiknya mata tidak berakomodasi sehingga tidak cepat lelah, jadi benda diletakkan tepat di titik api.

Pada saat mata belum menggunakan lup, benda tampak jelas bila diletakkan pada titik dekat pengamat (s = sn) sehingga mata melihat benda dengan sudut pandang α.

Pada gambar (b), seorang pengamat menggunakan lup dimana benda diletakkan di antara titik O dan F (ruang I) dan diperoleh bayangan yang terletakpada titik dekat mata pengamat (s’ = sn).

Karena sudut pandang mata menjadi lebih besar, yaitu β, maka mata pengamat berakomodasi maksimum. Untuk jenis mata normal (emetropi) dan berakomodasi maksimum, bayangan yang terbentuk berada pada jarak baca normal (sn) yaitu 25 cm.

Oleh karena itu, perbesaran bayangan pada lup mata berakomodasi maksimum dapat dituliskan sebagai berikut.

M= S_n/S=S_n/f+1

Keterangan:
M = perbesaran bayangan (kali)
f = jarak fokus lup (meter)
s_n = jarak baca normal (25 cm)

Menggunakan lup untuk mengamati benda dengan mata berakomodasi maksimum cepat menimbulkan lelah. Oleh karena itu, pengamatan dengan menggunakan lup sebaiknya dilakukan dengan mata tak berakomodasi (mata dalam keadaan rileks).

Menggunakan lup dengan mata tak berakomodasi dapat diperoleh bila benda diletakkan pada titik fokus lup (s = f).

Untuk mata tidak berakomodasi, bayangan terbentuk di tak terhingga (s’ = ~) dan benda terletak di titik fokus (s = f) sehingga perbesaran bayangan yang dibentuk lup untuk mata tak berakomodasi adalah sebagai berikut. 

M= S_n/S = S_n/f+1

Keterangan:
M = perbesaran bayangan (kali)
f = jarak fokus lup (meter)
s_n = jarak baca normal (25 cm)

Menggunakan lup untuk mengamati benda dengan mata berakomodasi maksimum cepat menimbulkan lelah. Oleh karena itu, pengamatan dengan menggunakan lup sebaiknya dilakukan dengan mata tak berakomodasi (mata dalam keadaan rileks).

Menggunakan lup dengan mata tak berakomodasi dapat diperoleh bila benda diletakkan pada titik fokus lup (s = f).

Untuk mata tidak berakomodasi, bayangan terbentuk di tak terhingga (s’ = ~) dan benda terletak di titik fokus (s = f) sehingga perbesaran bayangan yang dibentuk lup untuk mata tak berakomodasi adalah sebagai berikut.

M = S_n/f

Keterangan:
M = perbesaran bayangan (kali)
f = jarak fokus lup (meter)
s_n = jarak baca normal (25 cm)

5. Mikroskop

Mikroskop merupakan alat optik untuk melihat benda-benda kecil dengan perbesaran yang lebih besar dari perbesaran lup (dapat mencapai lebih dari 100 kali lipat dari besar benda). Mikroskop pertama kali ditemukan oleh Zacharias Janssen dari Belanda pada tahun 1590.

Mikroskop terdiri dari 2 lensa. Lensa pertama dinamakan lensa obyektif yang diletakkan sekat dengan benda yang akan diamati. Sedangkan lensa kedua yang diletakkan dekat dengan mata pengamat dinamakan lensa okuler. Lensa okuler bertindak sebagai lup. Ada dua cara dalam menggunakan mikroskop, yaitu dengan mata berakomodasi maksimum dan dengan mata tak berakomodasi.

Bayangan akhir yang dihasilkan oleh dua lensa dalam mikroskop bersifat maya, diperbesar dan terbalik terhadap benda semula. Panjang mikroskop (L) dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut.

L = s’_ob + s_ok

Keterangan:
L = panjang mikrokop (meter)
s’_ob = jarak bayangan lensa objektif
s_ok = jarak benda lensa okuler

Perbesaran lensa obyektif merupakan perbesaran lensa positif:

M_ob = h'_ob/h_ob = | -s'_ob/s_ob |

Keterangan:
M_ob = perbesaran lensa objektif
s’_ob = jarak bayangan bagi lensa objektif
s_ob = jarak benda bagi lensa objektif
h’_ob = tinggi bayangan
h_ob = tinggi benda

Oleh karena lensa okuler bersifat sebagai lup maka perbesaran lensa okuler mikroskop adalah sebagai berikut. Untuk mata berakomodasi maksimum.

Mata berakomodasi maksimum:

Mok =  sn/fok+1

Keterangan:
s_n = jarak titik dekat mata normal
f_ok = jarak fokus lensa okuler

Mikroskop terdiri atas lensa objektif dan lensa okuler. Maka dapat dikatakan bahwa perbesaran pada mikroskop merupakan perkalian antara perbesaran oleh lensa objektif (m_ob) dengan perbesaran oleh lensa okuler (m_ok) dan secara matematis dituliskan sebagai berikut.

Perbesaran total mikroskop:

M_tot = M_ob x M_ok

Keterangan:
M = perbesaran total mikroskop
m_ob = perbesaran lensa objektif
m_ok = perbesaran lensa okuler

Pada mikroskop, lensa okuler berfungsi sebagai lup. Agar mata pengamat dalam menggunakan mikroskop tidak berakomodasi, maka lensa okuler harus diatur/digeser sedemikian rupa supaya bayangan yang dihasilkan oleh lensa objektif tepat jatuh di titik fokus lensa okuler (fok). Lukisan bayangan untuk mata tak berakomodasi dapat dilihat pada gambar berikut.

Perbesaran lensa objektif selalu sama baik digunakan pada saat pengamatan dengan mata berakomodasi maksimum maupun mata tidak berakomodasi. Hal ini dikarenakan lensa objektif digunakan untuk membentuk bayangan objek asli dan tidak berhubungan langsung dengan mata pengamat.

Oleh karena lensa okuler bersifat sebagai lup maka perbesaran lensa okuler untuk pengamatan dengan mata tidak berakomodasi dirumuskan sebagai berikut.

M_ok = s_n/f_ok

Sehingga untuk perbesaran total mikrokop untuk pengamatan dengan mata tidak berakomodasi, sebagai berikut:

M=s'_ob/s_ob x s_n/f_ok

Sedangkan panjang mikroskop (jarak tubulus) untuk pengamatan dengan mata tidak berakomodasi dinyatakan dengan persamaan berikut.

L = s’_ob + f_ok

6. Periskop

Periskop adalah teropong pada kapal selam yang digunakan untuk mengamati benda-benda di permukaan laut. Periskop terdiri atas 2 lensa cembung dan 2 prisma siku-siku sama kaki. Jalannya sinar pada periskop adalah sebagai berikut.

1. Sinar sejajar dari benda yang jauh menuju ke lensa obyektif.
2. Prisma P1 memantulkan sinar dari lensa objektif menuju ke prisma P2.
3. Oleh prisma P2 sinar tersebut dipantulkan lagi dan bersilangan di depan lensa okuler tepat di titik fokus lensa okuler.

Contoh Soal

1. Reni yang menderita rabun dekat mempunyai titik dekat 50 cm. Jika ingin membaca dengan jarak normal (25 cm), maka berapa kekuatan lensa kaca mata yang harus dipakai Reni?
Penyelesaian:

Diketahui:
s = 25 cm
s’ = -50 cm (tanda negatif menunjukkan bayangan bersifat maya, di depan lensa)
Ditanyakan: P = …?

Jawab:
1/f = 1/s + 1/s’
1/f = 1/25 – 1/50
1/f = 2/50 – 1/50
1/f = 1/50
f = 50 cm = 0,5 m
P = 1/f = 1/0,5 = 2 dioptri
Jadi, kekuatan lensa kaca mata yang harus dipakai reni adalah 2 dioptri.

2. Seorang siswa melihat sebuah benda kecil dengan menggunakan lup yang berjarak fokus 10 cm. Jika benda diletakkan di titik fokus lup, tentukan perbesaran lup.
Penyelesaian:

Diketahui:
f = 10 cm
s = 10 cm (karena benda diletakkan di titik fokus lup)
Ditanyakan: M

Jawab:
Jika benda diletakkan di titik fokus lensa, maka pengamat mengamati dengan mata tidak berakomodasi. Jadi, perbesarannya dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut.
M = sn/f
M = 25/10
M = 2,5 kali
Jadi, perbesaran bayangannya adalah 2,5 kali.