EVALUASI PERUBAHAN POLA SPEKEL TERHADAP PERGESERAN SUDUT

POLARIZER MENGGUNAKAN METODE ELECTRONICA SPECKLE PATTERN

INTERFEROMETRY (ESPI)

1)Agus Budiono,

2)Agoes Soetijono

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya 2011

Abstrak

Telah dilakukan penelitian pola spekel terhadap pergeseran sudut polarizer dengan

menggunakan Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI), dimana hamburan permukaan yang

merupakan pola butiran gelap-terang dengan kecerahan tinggi direkam menggunakan CCD (webcame).

Pola spekel terbentuk karena hasil interferensi cahaya terhambur dari permukaan yang disinari dengan

berkas cahaya koheren (laser He-Ne). Untuk menganalisasi perubahan pola spekel terhadap pergeseran

sudut polarizer dengan cara mensubtraksi pola spekel sebelum diberi polarizer dengan sesudah diberi

polarizer pada sudut 00, 300, 600 dan 900. Dari data hasil pengamatan didapatkan pengaruh pergeseran

sudut polarizer terhadap distribusi intensitas antara 0˚, 30˚, 60˚, dan 90˚ sangat sensitif dan secara

berurutan mengalami penurunan

Kata kunci : Speckle, polarizer, laser, ESPI

I. PENDAHULUAN

Laser sebagai cahaya monokromatik dan

koheren banyak memberikan kontribusi dalam

bidang pengukuran dan instrumentasi.

Holografi, spekel, dan moire melengkapi

deretan metode optik yang sudah ada dan

memberikan sumbangan terhadap kemajuan

bidang uji tak merusak (non-destructive testing,

NDT) di dunia industri.

Spekel sebagai salah satu fenomena fisis

dari pantulan permukaan objek ketika disinari

cahaya laser yang koheren (laser speckle)

memberikan informasi objek berupa butiran

butiran gelap dan terang. Informasi objek (pola

spekel) ini selanjutnya dikembang menjadi

berbagai macam teknik pengukuran (angelica

svanbro,2004). Pemanfaatan CCD kamera

sebagai perekam pola spekel memberikan

pengembangan pada pengolahan citra secara

digital. Berdasarkan inilah dikenalkan berbagai

macam teknik pengukuran berbasis spekel,

antara lain spekel korelasi (speckle correlation),

spekel interferometer (speckle interferometry),

holografi interferometer (holography

interferometry). Pada spekel interferometer,

secara prinsip merupakan proses pengurangan

hasil perekaman pola spekel oleh CCD dari

objek sebelum dan sesudah diberikan ganguan.

Sehingga teknik ini banyak digunakan untuk

pengukuran permukaan kekasaran, mengetahui

kerusakan objek (deformasi), getaran

(vibration), dalam aplikasi keamanan dan

sebagainya.

Pada peper ini akan dilakukan

penelitian dengan judul " Evaluasi Perubahan

Pola Speckle Terhadap pergeseran Sudut

Polarizer Dengan Metode Electronic Speckle

Pattern Interferometry (ESPI). Plat almunium

dengan kekasaran sedimikian rupa digunakan

sebagai penghasil pola spekel yang selanjutnya

direkam menggunakan CCD (charge coupled

device). Penempatan polarizer dengan sudut

yang variasi pada salah satu sinar laser

diharapkan dapat berfungsi sebagai variasi

kontras pola frinji yang terbentuk (Ricardo

Arizaga,2002).

Adapun untuk menganalisasi perubahan

pola spekel terhadap pergeseran sudut polarizer

dalam penelitian digunakan metode Electronic

Speckle Pattern Interferometry (ESPI). Yaitu

mensubtraksi pola spekel sebelum diberi

polarizer dengan sesudah diberi polarizer pada

sudut 00, 300, 450 , 600 dan 900. Teknik ini

berdasarkan pada prinsip interferensi atau

panduan dua atau lebih gelombang cahaya yang

mempunyai beda fase yang konstan ( koheren ).

Sumber cahaya yang digunakan dalam penelitian

ini adalaha laser He-Ne.

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian Dasar Spekel

Pengukuran spekel sangat penting dan

berkembang dalam teknik pengukuran secara

optik. Teknik spekel memanfaatkan pola acak

bintik – bintik terang dan gelap yang terbentuk

dari pemantulan tidak teratur ketika sebuah

obyek disinari laser koheren (laser speckles).

Pola random yang berupa bintik-bintik

terang gelap sangat halus selanjutnya disebut

pola spekel sebagai hasil pemantulan difusi dari

sebuah obyek baik diamati secara langsung atau

dengan menggunakan kamera (Gambar 2.1a dan

b). Spekel hanya akan terjadi bila variasi

ketinggian permukaan obyek lebih besar dari

pada panjang gelombang () cahaya yang

digunakan.

Gambar 2.1 (a) Skematik spekel terhadap detector,

(b) Pola spekel

(Svanbro, 2004).

2.2 Ukuran Spekel

Berdasarkan cara terbentuknya, ada dua

macam pola spekel, yaitu : pola spekel objektif

dan pola spekel subjektif. Pola spekel objektif

yaitu pola titik- titik terang di udara, sedangkan

pola spekel subjektif terjadi bila cahaya laser

yang terpantul dari benda tersebut difokuskan

pada layar.

(a) Pola spekel subjektif

(b) Pola spekel objektif

Gambar 2.2. Pembentukan pola spekel

Ukuran Spekel diturunkan dari teori

difraksi dengan hasil dibawah ini. Ukuran spekel

pada pola spekel objektif dobj ditentukan oleh

persamaan (lihat Gambar 2.2)

dobj =

, (2.1)

dengan ; A = 2a = luas bagian yang

disinari,

L = jarak dari objek ke bidang

pengamat,

F = apertur kamera,

= panjang gelombang sinar laser yang digunakan

Sedangkan ukuran spekel pada pola spekel

subjektif, dsub adalah,

dsub =

= 1,22 , (2.2)

dengan

l = jarak lensa ke bidang pengamat,

=

, adalah numerical aperture lensa

Berdasakan persamaan- persamaan

diatas, terbukti bahwa ukuran spekel pada

bidang bayangan (citra) ditentukan oleh aperture

kamera, maka ukuran spekel semakin besar.

Gambar 2.3. Efek pelipatan dua ukuran spekel bila

pola spekel ditambah berkas uniform

Bila sebuah berkas dengan intensitas

yang kuat, koheren dan merata (uniform)

ditambahkan pada pola spekel, akan terjadi

interfrensi antara central beam dengan wavelets

yang membentuk spekel tersebut. Sudut

maksimum dari interfrensi ini setengah dari

sudut maksimum interfrensi wavelets. Hal ini

akan menyebabkan ukuran spekel menjadi

berlipat dua (liat persamaan 2.2 dan difinisi α).

Ilustrasi Gambar 2.3.

Perubahan akibat perbedaaan fasa antara

berkas objek dan berkas acuan dideteksi sebagai

fluktuasi intensitas yang mengandung informasi

tentang citra. Bila informasi tentang perbedaan

objek diinginkan secara utuh, maka harus

diperoleh kontras yang maksimum yang artinya

ukuran spekel harus terekam secara utuh oleh

detektor. Bila resolusi spekel detektor tidak

cukup memadai untuk bisa merekam spekel

secara utuh, kontras akan menurun karena

adanya efek perata-rataan (Dini, 1994).

2.3 Teknik Pengukuran Spekel ( Speckle

Interferometry)

Studi pengukuran spekel pada

permukaan kasar sudah banyak dilakukan

dimana menghasilkan pola interferensi ketika

gelombang yang dipantulkan dan gelombang

referensi berinterferensi akan menghasilkan

pola spekel dengan variasi phase dan amplitudo.

Interferometer holografi, ditemukan

oleh Stetson dan Powell pada tahun 1965,

dimana dua holografi sebelum dan sesudah

deformasi direkam secara bersamaan pada plat

photografi yang sama. Pada tahun 1970,

perekaman secara elektronik digunakan sebagai

pengganti plat fotografi, sekarang ini , CCD

detektor biasa digunakan. Dan teknik

penggunaan ini disebut Electronic Speckle

Pattern Interferometry (ESPI). Untuk

meningkatkan kekontrasan frinji dan

memungkinkan pengukuran fase diperkenalkan

teknik temporal phase-stepping. Sedangkan

untuk rekontruksi obyek sekarang telah dibuat

secara numerik pada komputer dan ditampilkan

pada monitor TV, artinya bahwa rekontruksi

secara optik tidak lagi dibutuhkan. Sebagai

kesimpulan, perekaman dan proses pengukuran

data dapat dilakukan semua secara digital dan

teknik ini selanjutnya disebut : Digital Speckle

Pattern Interferometry (DSPI), TV holography

dan speckle interferometry (SI) (Svanbro,2004).

Secara aplikasi, pola spekel yang

dihasilkan dari teknik pengukuran diatas baik

ESPI, DSPI maupun TV holografi banyak

digunakan dibidang test tak merusak (NDT),

seperti pengukuran kekasaran, uji deformasi,

analisa vibrasi (vibration) dan sistem keamanan

optik.

Pada sistem keamanan, pemrosesan

informasi secara optik menunjukkan potensi

yang sangat besar untuk aplikasi keamanan.

Teknik penyandian dengan menggunakan fase

random, stream ciphers, optical correlators dan

sebagainya. Kartu memori merupakan keamanan

yang paling mewah dalam dunia optik.

Kesemuanya itu menggambarkan kesempatan

untuk berkarya dengan biaya murah guna

bersaing dengan pemrosesan digital dalam

melakukan verifikasi (Arizaga, 2002).

2.4 Kepekaan Polarisasi Menggunakan

Metode ESPI

Konsep dasar ESPI adalah dengan

merekam citra spekel objek uji sebelum

perlakuan dan sesudah perlakuan dengan

kamera CCD dan selanjutnya disimpan di

memori komputer untuk diolah. Pengolahan

yang utama adalah mengurangkan kedua buah

citra tersebut piksel per piksel dan hasilnya

ditampilkan di layar monitor dalam bentuk pola

frinji. Perlakuan yang dilakuakan seperti

pengukuran kekasaran, uji deformasi, analisa

vibrasi (vibration) dan sistem keamanan optik.

Pada sistem keamanan optik misalnya yaitu

polarizer sebagai alat untuk melakukan coding

dan decoding memenfaatkan kepekaan terhadap

pergeseran sudut polarizer seperti pada

Gambar2.4.

Gambar 2.4 Skema alat teknik ESPI polarizer

Perekaman citra yang dilakukan adalah

dengan mengambil pola spekel sebelum diberi

polarizer dan sesudah diberi polarizer

selanjutnya disimpan di memori komputer untuk

diolah. Seperti metode ESPI pada umumnya

yaitu melakukan proses pengurangan pola spekel

tanpa polarizer dengan pola speckle

menggunakan pergeseran sudut polarizer, secara

matematis hasil pengurangan dari pergeseran

sudut polarizer adalah sebagai berikut :

( ) | | | ( )| (2.3)

Dengan :

( ) = Distribusi Intensitas

( )= Beda Fase Hasil Pengurangan

C = Amplitudo

= Variasi polarizer

(Arizaga, 2002)

III. METODOLOGI PENELITIIAN

3.1 Prosedur Percobaan

Sebelum melakukan penelitian maka

dipersiapkan sampel yang akan digunakan yaitu

plat alumunium. Permukaan plat alumunium

dihaluskan menggunakan amaplas berukuran

1200, dimana dalam prosesnya pengamplasan

dilakukan dari ukuran amplas paling kasar

hingga paling halus secara berurutan yaitu 120,

220, 400, 600, 800, 1000, 1200 guna untuk

mendapatkan bahan uji yang diharapkan.

Gambar 3.1 a) dan b) Sistem ESPI berkas ganda

untuk mengamati pengaruh pergeseran

sudut polarizer pada pola spekel.

Sumber cahaya monokromatis dan

koheren yang berasal dari laser He-Ne

memancarkan berkas cahayanya pada beam

splitter (BS), dimana berkas cahaya laser terbagi

Laser

BS

P

R

𝐂𝟏

𝐂𝟐

S

MO

MO

menjadi dua arah yang saling tegak lurus yaitu

pada berkas pertama melewati polarizer menuju

cermin (C1) kemudian dikembangkan

menggunakan lensa mikroskop objektif (MO)

sehingga seluruh permukaan dapat diterangi dan

menghasilkan pola spekel. Dengan cara yang

sama berkas kedua diarahkan ke cermin (C2)

kemudian dikembangkan menggunakan lensa

mikroskop objektif (MO) langsung menerangi

objek. Kedua berkas akan saling bertemu dan

berinterfrensi menghasilkan pola frinji yang

bersifat spekel pada permukaan uji. Citra spekel

ini kemudian diamati menggunakan kamera

CCD berupa butiran butiran gelap-terang dengan

kecerahan tinggi.

Selanjutnya dilakukan pengambilan data

dengan merekam pola interfrensi hamburan

permukaan plat alamunium menggunakan

polarizer dan tanpa polarizer . Untuk perekaman

pola interfrensi hamburan permukaan

menggunakan polarizer dilakukan variasi

pergeseran sudut yaitu 0˚, 30˚, 60˚, 90˚ yang

kemudian hasil perekaman disimpan di memori

komputer untuk selanjutnya diproses secara

elektronik piksel per piksel dan hasilnya

ditampilkan dilayar monitor berupa bentuk frinji

spekel.

3.2 Pengolahan Citra

Setelah didapatkan data hasil percobaan

berupa citra pola speckel yaitu pola hamburan

berupa butiran gelap-terang dari hasil hamburan

permukaan plat alumunium yaitu menggunakan

polarizer dan tanpa polarizer yang disimpan di

memory komputer, selanjutnya diolah

menggunakan softwer imageJ. Pertama semua

data hasil pola foto spekel dikonversi dari model

warna RGB menjadi model warna grayscale

yang kemudian dilakukan proses pengurangan

antara pola interfrensi awal tanpa menggunakan

polarizer dengan pola interfrensi yang dihasil

mengunakan pergeseran sudut polarizer 0˚, 30˚,

60˚, 90˚.

(a) (b)

Gambar 3.2. a) pola spekel b) pola frinji

Dari data hasil pengurangan kemudian di

FFT (Fast Fourier Transform) sehinggga

didapatkan pola frinji seperti terlihat pada

Gambar 3.2.b.

IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN

Berkas cahaya monokromatis dan

koheren yang digunakan berasal dari laser He-

Ne. Dimana dalam pengambilan data terdapat

dua tahap yaitu tahap pertama pengambilan data

tanpa menggunakan polarizer dan tahap kedua

pengambilan data menggunakan pergeseran

sudut polarizer 0˚, 30˚, 60˚, 90˚. Pola spekel

yang diamati direkam menggunakan kamera

CCD yang kemudian disimpan dimemori

komputer untuk diproses secara elektronik.

Untuk mendapatkan pola frinji

dilakukan beberapa proses pengolahan citra

digital yaitu diantaranya mengkorversi model

warna RGB ke model warna grayscale, proses

pengurangan citra pola spekel pixel per pixel

yang selanjutnya data hasil pengurangan di

lakukan proses FFT sehingga didapatkan pola

frinji dan diamati distribusi intensitasnya sebagai

berikut.

(a) 0˚

(b) 30˚

(c) 60˚

(d) 90˚

Gra

ysca

le

Piksel

Gra

ysca

le

Piksel

Gra

ysca

le

Gra

ysca

le

Piksel

Piksel

Gambar 4.1 Citra hasil pengurangan pergeseran sudut polarizer

(a) 0˚; (b) 30˚, (c) 60˚, dan (d) 90˚

Pada perbaikan citra setelah proses

pengurangan dengan metode transformasi FFT,

bertujuan untuk memperbaiki pola frinji yang

terbentuk. Transform Fourier berfungsi untuk

mengubah domaian spasial menjadi domain

frekuensi, yaitu dengan merepresentasikan citra

spasial sebagai suatu penjumlahan eksponensial

kompleks dari beragam frekuensi, magnituda,

dan fasa, sehingga kita dapat mengakses

karakteristik geometris dari sebuah citra domain

spasial.

Distribusi Intensitas Terhadap Pergeseran

Polarizer.

Pengaruh polarizer terhadap pola spekel

yang terbetuk dapat dinyatakan dalam bentuk

persamaan (Henao, 1996) :

( ) | | | ( )|,

Dimana C adalah komplek amplitudo,

diamsumsikan dalam keadaan konstan dan sama

pada masing kedua lintasan optik, ( )

representasi fase dari hasil pola spekel pada

posisi pixel ( ), dan merupakan variasi

arah polarisasi .Karenanya ketika arah polarisasi

tepat ( ) tampak layar TV

hitam, tidak ada perubahan materi pola spekel.

Sebaliknya ada pola spekel dengan gray level.

Kejadian ini memberikan informasi penyandian

pada tampilan intensitas (Arizaga, 2002).

Gambar 4.2 Distribusi intensitas

Gambar 4.2 menunjukkan gambar berturut-

turut korelasi pola frinji sebagai representasi

polarisasi linear yang diputar pada salah satu

lengan interferometer. Perubahan kecerahan

frinji mudah dilihat pada masing-masing

histogram. Histogram ini diambil di

sepanjang horizontal yang sama untuk setiap

gambar. Pada hasil pengurangan tidak ada

perubahan pola frinji, hal ini disebabkan cahaya

terpolarisasi linier dimana polarisasi ini

terbentuk jika frekuensi ω dan fase awal dari

kedua gelombang sama, dan arah

perambatannya sejajar bidang, sehingga cahaya

yang diterima oleh CCD tidak mengalami

perubahan posisi dan begitu pula ketika

pergeseran sudut polarizer tidak merubah posisi

jatuhnya berkas cahaya melainkan hanya

merubah arah getar rambat cahaya dan hal

tersebut berpengaruh terhadap distribusi

intensitas. Tampak pada distribusi grayscale

memberikan informasi variasi penurunan

intensitas. Disinilah kita dapat memanfaatkan

kejadian fisis ini sebagai sebuah penyandian.

Pemutaran arah polarisasi tidak memberikan

perubahan pola spekel, sehingga tidak ada

variasi frekuensi pada pola frinji (Arizaga,

2002).

5.1 KESIMPULAN

Dari hasil analisa data dan pembahasan

yang telah dilakukan maka didapatkan

kesimpulan sebagai berikut :

- Dengan menggunakan software ImageJ pada

evaluasi pola speckle nampak bahwa dapat

dianalisa Distribusi Intensitas akibat

pengaruh pergeseran sudut polarizer.

- Tidak ada pergeseran fase akibat pengaruh

pergeseran sudut polarizer pada pola speckle.

- Distribusi intensitas akibat pergeseran sudut

polarizer sangat sensitif.

- Distribusi Intensitas antara pergeseran sudut

0˚, 30˚, 60˚, 90˚ secara berurutan semakin

menurun.

130

140

150

160

170

180

190

1 101 201 301 401 501

Gra

ysca

le

Piksel

90˚

60˚

30˚

0˚

5.2 SARAN

Untuk pekerjaan penelitian selanjutnya

penulis menyarankan :

- Menggunakan bahan yang lebih reflektif dan

dengan permukaan objek yang lebih halus.

- Pengukuran OPD (Optical Part Difference)

lebih teliti, yaitu lokasi peletakan detektor

CCD dan sumber cahaya.

- Pembuatan software operasi poal speckle dan

interface dalam pengambilan data pola

speckle.

DAFTAR PUSTAKA

Arizaga, R., end Torroba, R., August 2002.

"Digital polarirization-Sensitive

Speckle Correlation as Security

Validation Technique". International

Journal for Light and Electron

Optics. Optics 113, No. 18 (2002) 336

– 336.

Arizaga, R., end Torroba, R., Nopember 2002.

"Validation Through a Binary Key

Code and Polarization Sensitive

Digital Technique", International

Journal for Light and Electron

Optics. Elsevier : Optics

Communication 215 (2003) 31-36.

Brigham, Organ.E. (1974). The Fast Fourier

Transform, Englewood Cliffs, N.J :

Prentice Hall.

Dini Andini., 1994. " Pengaruh Pemakaian

Aperture Besar Pada Digital Speckle

Pattren Interferometry (DSPI). ISSN

0852-002 X, PPI – KIM 1994.

Edi Tri Astuti dan Rini Windiastuti, 2000. "

Pengaruh Pemakaian Kamera Interface

dan Non-Interface Dalam Perolehan

Citra Interferometri-Speckel".

Prosiding Simposium Fisika

Nasional XVIII, April 2000 : 239-

243.

Edi Tri Astuti, Dini Andini, dan Rusman

Rusyadi., 2000. "Teknik DSPI (Digital

Speckle Pattern Interferometry)

Sebagai Sarana Teknologi Pengujian

Alternatif Di Industri". ISSN 0852-002

X- PPI- KIM 2000.

Edi Tri Astuti, Suprapedi, Muchtiar, Rika

Suriamah, Agus Sudiono, Endang

Hamida, dan Adang Suhendi., 2003.

"Pengembangan Teknik Interferometri

Optik Untuk Pengujian Sifat Mekanik

Secara Statik dan Dinamik Pada Solid

Material". Pusat Penelitian Fisika-

LIPI Pemaparan Hasil Litbang

2003.

Edi Tri Astuti, Suprapedi, Yoshida, dan Dini

Andiani., 1995. "Menentukan

Deformasi Objek Dengan Teknik

ESPI", Seminar Ilmiah Hasil

Penelitian dan Pengembangan

Bidang Fisika Terapan LIPI.

Edi Tri Astuti., 2001. "Visualisasi Pola Frinji

Berbasis Interferometri Optik Pada

Pengujian Statis dan Dinamis Plat

Alumunium". Kontribusi Fisika

Indonesi LIPI. Vol.12 No.2.

Endang Susilo, Ali Yunus, dan Gatut Yudoyono.

2003. OPTIKA (diktat), Yanasika

ITS, Surabaya.

Henao,R. Tagliaferri, A., end Torroba, R., June

1996. "Digital Polarization Sensitive

Speckle Pattern Interferometer",

International Journal for Light and

Electron Optics. Elsevier : Optics

Communication 127 (1996) 14-18.