Makalah Sensor Cahaya

Sensor Cahaya

1. Definisi

Sensor cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya,

pantulan cahaya, bias cahaya yang mengenai benda atau ruangan yang diproses dan

dikondisikan lalu dirubah menjadi besaran listrik. Secara umum, suatu sensor cahaya akan

dikelompokkan dalam 2 sifat, yaitu :

1. Bersifat Resistif, artinya perubahan-perubahan intensitas cahaya akan mempengaruhi

nilai resistansi dalam rangkaian.

2. Bersifat Kapasitif, artinya perubahan-perubahan intensitas cahaya akan mempengaruhi

nilai kapasitansi dalam rangkaian.

2. Komponen Sensor Cahaya

2.1 Cahaya

Cahaya merupakan gelombang elektromagnetis (EM) yang memiliki spektrum warna yang berbeda satu sama lain. Setiap warna dalam spektrum mempunyai energi, frekuensi dan panjang gelombang yang berbeda. Hubungan spektrum cahaya dan energi dapat dilihat pada formula dan gambar berikut. Energi photon (Ep) setiap warna dalam spektrum cahaya nilainya adalah:

....................... (1)Dimana : Wp = energi photon (eV) h = konstanta Planck’s (6,63 x 10-34 J-s) c = kecepatan cahaya, Electro Magnetic (2,998 x 108 m/s) λ = panjang gelombang (m) f = frekuensi (Hz)

Berikut ini gambaran Spektrum warna berdasarkan panjang gelombnag dan energi fotonnta masing-masing.

Gambar 1. Spektrum Warna berdasarkan panjang gelombang dengan energi fotonnya

2.1.1 Sumber-sumber Energi Photon:

Bahan-bahan yang dapat dijadikan sumber energi selain matahari adalah antara lain:

1. Incandescent Lamp yaitu lampu yang menghasilkan energi cahaya dari pijaran

filament bertekanan tinggi, misalnya lampu mobil, lampu spot light, lampu flashlight.

2. Energi Atom, yaitu memanfaatkan loncatan atom dari valensi energi 1 ke level energi

berikutnya.

3. Fluorescense, yaitu sumber cahaya yang berasal dari perpendaran bahan fluorescence

yang terkena cahaya tajam. Seperti Layar Osciloskop

4. Sinar LASER adalah sumber energi mutakhir yang dimanfaatkan untuk sebagai

cahaya dengan kelebihannya antara lain : monochromatic (cahaya tunggal atau

membentuk garis lurus), coherent (cahaya seragam dari sumber sampai ke beban

sama), dan divergence (simpangan sangat kecil yaitu 0,001 radians).

2.2 Elemen Optik

Elemen optik ini, berfungsi untuk :

1. Memandu cahaya

2. Memilih rentang panjang gelombang

3. Mentransformasikan menjadi gambar

4. Memanipulasi sudut atau arah datangnya sinar.

Ada beberapa cara yang dapat digunakan untuk penyensoran menggunakan optik yaitu:

1. Menggunakan sinar laser

2. Menggunakan prisma

3. Menggunakan fiber optik

Dalam sensor cahaya, elemen optik yang digunakan adalah fiber optik :

Filter optik digunakan ketika bandwith dari sumber cahaya sangat terbatas atau

intensitas cahaya yang masuk harus dikurangi. Hanya cahaya yang memiliki spektral

bandwith yang kecil yang dapat masuk.

Gambar 2. Fiber Optik; (kiri) cahaya dipandu dalam fiber optik; (kanan) syarat cahaya dapat dipandu oleh fiber

optik.

Agar sinar dapat terpantulkan sempurna, maka indeks bias bahan yang di tengah > dari

bahan yang di luar, dan sudut sinar datang > sudut kritis.

Indeks bias yang memiliki bilangan kompleks:

............................(2)

Bagian yang real menyatakan cahaya dibiaskan ketika cahaya menembus diantara dua bahan.

Sedangkan bagian imajinernya κ(λ) menyatakan cahaya di serap oleh bahan.

Dan nilai indeks bias merupakan perbandingan antara kecepatan cahaya dengan kecepatan

pada medium, secara matematis dirumuskan sebagai berikut :

n= cv

. .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .(3 )

Dimana :

n adalah indeks bias bahan

c adalah kecepatan cahaya

v adalah kecepatan dalam medium optik.

2.3 Detektor Cahaya ( Fotodetektor )

Fotodetektor merupakan sistematika kerja yang mengubah suatu pancaran cahaya

menjadi sinyal listrik.

Gambar 4. Skema Fotodetektor

2.3.1 Prinsip Kerja Fotodetektor :

Sebelum cahaya mengenai fotodetektor, terlebih dahulu cahaya dipandu agar tepat

mengenai fotodetektor melalui elemen-elemen optik, sebagai berikut :

Gambar 5. Skema cahaya melewati elemen optik untuk mengenai fotodetektor

Setelah sumber cahaya tersebut mengenai fotodetektor, maka foton cahaya yang

memiliki energi akan mengeksitasi elektron dalam bahan fotodetektor sehingga menjadi

elektron bebas. Elektron bebas ini dibangkitkan dengan cara memindahkan elektron dari pita

velensi ke pita konduksi, dan yang tertinggal dalam pita valensi adalah lubang yang lazim

dinamakan dengan hole bebas. Proses terjadinya pasangan eletktron-hole ini disebut dengan

photogeneration. Proses ini ditunjukkan pada gambar 6, dimana foton diserap oleh atom yang

menyebabkan sebuah elektron pindah dari level valensi menuju level konduksi.

Gambar 6. Skema pembangkitan pasangan elektron-hole

Perubahan energi yang terjadi pada elektron adalah Eg, yaitu agar peristiwa ini terjadi,

maka energi minimal yang dimiliki oleh foton adalah Eg. Karena energi foton berkaitan

dengan frekuensinya (atau panjang gelombang), maka nilai energi gap, Eg ini menentukan

respon daerah spektral detektor cahaya. Energi photon, Ep, harus lebih besar atau sama dengan

energi gap, Eg.

Ep ≥ Eg

h × f ≥ Eg ..............................................(4)

dengan : Ep adalah energi foton.

Eg adalah energi gap bahan.

h adalah konstanta Planck’s (6,63 x 10-34 J.s).

f adalah frekuensi (Hz)

Detektor cahaya ini tidak merespon bila cahaya yang datang memiliki frekuensi lebih

kecil dari frekuensi cut off ( fC ), dimana fC didefinisikan sebagai:

f C = Eg /h

atau panjang gelombang cahaya tidak boleh lebih besar dibanding dengan panjang gelombang

cut off ( C ), dimana C didefinisikan sebagai:

λC = h ×c / Eg

2.3.2 Jenis – jenis Fotodetektor :

2.3.2.1 Foto Transistor

Foto Transistor ialah sebuah alat untuk merubah cahaya menjadi elektron dengan

elemen dasar yang digunakan ialah bipolar transistor. Prinsip kerja foto transistor hampir

sama dengan kerja transistor, hanya saja pada transistor biasa yang masuk ke dalam transistor

ialah berupa arus DC namun pada foto transistor yang diberikan kepada basis ialah intensitas

cahaya. Dalam kondisi normal, kolektor mendapat reverse bias, dan emitor mendapat forward

bias. Pada kaki kolektor akan selalu ada sedikit arus bocor (Ico), yaitu arus bocor antara

kolektor dan basis. Ico selain dipengaruhi oleh temperature juga dipengaruhi oleh intensitas

cahaya yang datang pada daerah pengosongan antara kolektor dan basis. Sifat inilah yang

dimanfaatkan oleh foto transistor untuk dapat menghantar atau on.

Saat foto transistor tidak terkena cahaya, Basis – Emitor tidak mendapatkan bias, elektron

tidak dapat bergerak bebas, sehingga depletion layer melebar, dengan demikian arus tidak

dapat mengalir, transistor dalam keadaan Cut off. Sebaliknya, saat foto transistor terkena

cahaya dengan intensitas cahaya yang sesuai dengan karakteristik foto transistor tersebut,

maka terjadi perpindahan elektron di sekitar lapisan pengosongan yang akhirnya membentuk

sebuah ikatan ion di sekitar lapisan pengosongan, sehingga lapisan pengosongan menyempit

dan transistor akan bersifat menghantar atau transistor on.

Gambar 7. Foto transistor; (a) Simbol foto transistor; (b) Foto transistor terkena cahaya; (c) Foto transistor tidak

terkena cahaya

Rangkaian Pengkondisi Foto Transistor

Rangkaian ini mendeteksi arus tersebut dengan menggunkan resistor untuk mengubah

arus menjadi tegangan, kemudian tegangan dikuatkan dengan menggunakan penguat

Operasional ( Op-Amp ) yang rangkaiannya sebagai berikut :

Gambar 8. Rangkaian pengkondisi foto transistor

Karakteristik Foto Transistor, antara lain :

1. Dalam rangkaian jika menerima cahaya akan berfungsi sebagai resistan.

2. Dapat menerima penerimaan cahaya yang redup (kecil).

3. Semakin tinggi intensitas cahaya yang diterima, maka semakin besar pula resistan

yang dihasilkan.

4. Memerlukan sumber tegangan yang kecil.

5. Menghantarkan arus saat ada cahaya yang mengenainya.

6. Penerimaan cahaya dilakukan pada bagian basis.

7. Apabila tidak menerima cahaya maka tidak akan menghantarkan arus.

2.3.2.2 Foto Multipliers

Prinsip kerja foto detektor menggunakan prinsip efek fotolistrik, bahan yang digunakan

untuk foto detektor memiliki suatu energi ambang dimana energi ini yang mempertahankan

elektron agar tidak lepas dari permukaan . Pada efek fotolistrik foton dengan energi tertentu

yang sebanding dengan frekuensionya menabrak elektron yang berada di permukaan bahan

lalu elektron terlepas dari permukaan yang memiliki energi kinetic dikarenakan energi foton

yang lebih besar dari energi ambang bahan sehingga elektron memiliki energi lebih untuk

bergerak diluar permukaan dengan energi kinetik Ek sebagai berikut :

Ek = h . f – W .............................................(5)

dengan h = konstata planck ( 6,63x 10^-34 J.s )

W = energi ambang (cut off) bahan

Sebagai konsekuensi penting, energi kinetik dari fotoelektron tidak

tergantung pada intensitas cahaya. Ini berarti bahwa jika sumber cahaya tidak memancarkan

foton dengan energi yang cukup, tidak akan ada elektron yang terlepas dari permukaan, tidak

peduli seberapa besar intensitas sumber cahaya. Intensitas cahaya yang menabrak elektron

mempengaruhi jumlah arus yang dihasilkan oleh lepasnya elektron-elektron.

Namun, jika energi dari foton cukup besar, peningkatan intensitas cahaya

akan meningkatkan jumlah elektron dan terjadilah photocurrent. Arus ini mungkin sangat

rendah untuk sejumlah kecil foton, dapat dikuatkan dengan

pengaturan seperti yang digambarkan diatas, yang disebut photomultiplier tube (PMT) :

sebuah tabung kaca yang dievakuasi berisi photocathode, anoda, dan beberapa tambahan

elektroda, "dynodes" Materi photocathode menentukan spektral sensitivitas detektor.

Gambar 9. Skema kerja foto multipliers

Ketika fotoelektron menabrak dynode terlebih dulu setelah dipercepat oleh penurunan

potensial, elektron sekunder akan dilepaskan. Masing-masing akan menabrak dynode kedua

dan, pada gilirannya akan melepaskan elektron sekunder tambahan. Ini efek avalanche yang

akan menyebabkan penguatan arus kation dari tempat ke tempat. Arus anoda yang dihasilkan

ditransformasikan menjadi tegangan pada sebuah resistor (R 'pada Gambar diatas). Tegangan

ini sebanding dengan besarnya intensitas cahaya pada photocathode. Dalam gambaran yang

lebih nyata dapat digambar sebagai berikut :

Gambar 10. Prinsip kerja foto multipliers

2.3.2.3 Foto Dioda

Sensor foto dioda memanfaatkan efek kuantum pada junction, energi yang diterima

oleh elektron yang memungkinkan elektron pindah dari band valensi ke band konduksi pada

kondisi bias mundur. Fotodioda tidak memerlukan adanya tegangan tinggi dan tidak ada

detektor khusus yang diperlukan dengan begitu bahwa fotodioda jauh lebih mudah di

operasikan dibandingkan dari photomultipliers. Fotodioda memanfaatkan efek foton yang

membawa muatan di deplesi layer pada diode sambungan pn: ketika foton diserap, fotodioda

membentuk pasangan elektron yang mengisi setiap hole. Sedangkan muatan yang dibawa

tetap berada dalam bahan ini disebut internal photoeffect.

Gambar 11. Prinsip kerja foto dioda

Dan tegangan yang arahnya berlawanan membuat muatan yang dibawa mengalami

penyimpangan ke arah eksternal elektroda sehingga memproduksi arus yang nilainya

sebanding dengan intensitas cahaya. Mekanisme tersebut beralainan dengan prinsip kerja

LED dan laser diode. Beberapa muatan tersebut yang berpindah sepanjang sambungan p-n

akan hilang selama proses rekombinasi. Selama proses rekombinasi, bandwith dari diode pn

tidak akan melampaui 10 MHz, namun muatan yang berpindah pada sambungan mengalami

panjar mundur.

Foto diode terbuat dari silicon dan germanium, sensitivitas spectral dari silicon ialah

sekitar 300 nm hingga 1100 nm dan germanium pada rentang panjang gelombang 1450 nm

hingga 1800 nm. Foto diode biasanya terintegrasi pada sebuah rangkaian elektronik, dan pada

rangkaian tersebut terdapat penguat amplifier, foto diode tersebut secara langsung terhubung

dengan current to voltage converter, tegangan yang dihasilkan sebanding dengan arus yang

juga sebanding dengan intensitas cahaya.

Gambar 12. Tabel beberapa bahan dari foto dioda dan daerah spektrumnya

Beberapa karakteristik dioda foto, antara lain:

1. Arus bergantung linier pada intensitas cahaya

2. Respons frekuensi bergantung pada bahan (Si 900nm, GaAs 1500nm, Ge 2000nm)

3. Digunakan sebagai sumber arus

4. Junction capacitance turun menurut tegangan bias mundurnya

5. Junction capacitance menentukan respons frekuensi arus yang diperoleh

Gambar 13. Karakteristik Arus – Tegangan ( I-V ) pada Fotodioda

Rangkaian Pengkondisi pada Fotodioda

Untuk rangkaian pengkondisi pada fotodioda, digunakan penguat Operasional Amplifier

(OA), fotodioda (PhD) dan Resistor (R) sebagai berikut :

Gambar 14. Rangkaian pengkondisi pada Fotodioda

Data Sheet Fotodioda Silikon Tipe PD15-22C/TR8

Gambar 15. Fotodioda Silicon tipe PD15-22C/TR8

Keunggulan : Respon cepat, Sensitivitas cahaya tinggi, Sambungan kapasitansi kecil, Bebas

dari Pb, The product itself will remain within RoHS compliant version.

Digunakan pada : Fotodioda kecepatan tinggi, mesin fotokopi, dan mesin game.

Berikut ini karakteristik dari tipe Fotodioda diatas :

Gambar 16. Tabel karakteristik fotodioda (atas) parameter fotodioda pada temperatur 25° (bawah) karakteristik

elemen elektro-optik pada temperatur 25°

Gambar 17. Kurva-kurva karakteristik Fotodioda

2.3.2.4 Sensor Cahaya yang menangkap Panjang Gelombang

2.3.2.4.1 CCD (Charge-Coupled Device)

Charge-Coupled Device (CCD) merupakan rangkaian terintegrasi dalam suatu chip,

terdiri atas substrat semikonduktor monolitik yang dilapisi insulator (penyekat) yang

tersambung ke elektroda. CCD tidak lain adalah kumpulan dioda metal-oxide semiconductor

(MOS) yang dicetak berdekatan satu dengan lainnya yang memiliki kemampuan menyimpan

muatan. Dengan menerapkan urutan tegangan listrik tertentu, paket muatan listrik (elektron)

tersebut dapat dipindahkan dari satu dioda ke dioda lainnya.

Sensor CCD awalnya dikembangkan untuk kamera video. Sensor CCD merekam

gambar pixel demi pixel dan baris demi baris. Informasi tegangan dari setiap elemen dalam

baris diteruskan sebelum turun ke baris berikutnya, hanya satu baris yang aktif pada suatu

waktu. CCD tidak mengubah informasi tegangan menjadi data digital dengan sendirinya,

perlu tambahan sirkuit di kamera untuk mendigitalkan informasi tegangan sebelum

mentransfer data ke perangkat penyimpanan. Bagaimana proses ini memisahkan warna?

Cahaya yang memasuki kamera adalah cahaya putih normal yang mengandung semua

panjang gelombang, dalam mekanismenya panjang gelombang ini akan dipisahkan oleh

filter berdasarkan RGB dasar (merah-hijau-biru). Informasi ini dibaca baris demi baris dan

piksel demi piksel, oleh karena itu, waktu proses yang diperlukan adalah sedikit lebih lama,

tapi sangat akurat.

Gambar 18. CCD dengan filter warna RGB

Dalam sistem filter warna RGB :

Gambar 19. sistem pewarnaan pada filter RGB serta nilai-nilai warnanya.

Prinsip Kerja CCD :

Bagian terpenting dari sebuah CCD adalah chip yang terdiri atas ribuan piksel (pixel;

picture element) peka cahaya dalam susunan baris dan kolom. Pada prinsipnya, setiap chip

CCD akan mengerjakan empat proses, yaitu pembangkitan, pengumpulan, pemindahan, dan

pengukuran muatan listrik.

Pada kepingan chip ini terdapat jutaan piksel yang sensitif terhadap cahaya (foton) dan

energi cahaya yang diterima mampu dirubah dalam bentuk sinyal tegangan. Perbedaan teknis

keduanya adalah dalam bagaimana tiap piksel itu memproses cahaya yang ditangkapnya.

Piksel pada sensor CCD merubah cahaya menjadi elektron dan output dari sensor CCD

memberikan hasil berupa tegangan, alias benar-benar piranti analog. Maka itu pada kamera

bersensor CCD, proses analog-to-digital conversion (ADC) dilakukan diluar chip sensor.

Gambar 20. Prinsip kerja CCD

Berdasarkan gambar diatas terlihat bahwa dalam satu pixel, foton yang mengenai pixel

akan diubah menjadi elektron, kemudian dipindahkan dari pixel satu ke pixel lain dengan

sistem baris dan kolom. Setelah itu, elektron diubah menjadi besaran listrik yaitu tegangan.

Kemudian melewati rangkaian penguat dan dikonversi dari analog ke digital.

Berikut ini proses cahaya hingga menjadi gambar digital pada kamera,

Gambar 21. Proses terbentuknya gambar pada kamera

Faktor utama yang mempengaruhi efisiensi kuantum adalah kemampuan bahan substrat

semikonduktor menyerap energi foton. Jika koefisien serapan bahan semikonduktor tinggi,

artinya pada panjang gelombang tersebut semikonduktor makin mudah menyerap energi foton

untuk membangkitkan efek foto listrik (mengeluarkan elektron). Sebaliknya, bila harga

koefisien serapan semikonduktor rendah berarti pada panjang gelombang tersebut bahan

semikonduktor menjadi transparan terhadap foton. Koefisien serapan juga merupakan fungsi

temperatur. Pada temperatur yang lebih tinggi, untuk panjang gelombang yang sama, harga

koefisien serapannya juga meningkat.

Ketika dilakukan pembacaan CCD, muatan listrik dipindahkan dari piksel menuju

amplifier output. Selama berlangsungnya proses pemindahan, dapat saja terjadi kehilangan

muatan. Bila terdapat persentase muatan sebesar ”a” yang tidak ikut berpindah, dengan

demikian secara efektif hanya “1–a” yang berhasil dipindahkan. Bagian “1–a” ini yang

disebut sebagai efisiensi pemindahan muatan yang menunjukkan keberhasilan detektor dalam

memindahkan paket sinyal hingga ke amplifier untuk dibaca. Seiring dengan kemajuan

teknologi pembuatan CCD, nilai efisiensi pemindahan muatan dapat dibuat mencapai

99,99999%, artinya dari tiap satu juta elektron yang akan dipindahkan hanya akan terjadi

kehilangan satu buah elektron saja.

Sensor CCD lebih banyak digunakan di kamera yang fokus pada gambar yang high-quality

dengan pixel yang besar dan sensitivitas cahaya yang baik.

Kekurangan :

1. Desain sistem keseluruhan (CCD plus ADC) lebih rumit

2. Boros daya, lebih kurang 100 kali lebih besar dibandingkan sensor CMOS

3. Kecepatan proses keseluruhan lebih lambat dibanding CMOS

4. Sensitif terhadap smearing atau blooming (kebocoran pixel) saat menangkap cahaya

terang

Keunggulan :

1. Telah diproduksi masal dalam jangka waktu yang lama sehingga teknologinya lebih

matang.

2. Kualitasnya lebih tinggi dan lebih banyak pixelnya

3. Low noise

4. Desain sensor nya sederhana (lebih murah)

5. Sensitivitas cahaya yang baik (termasuk dynamic range)

6. Tiap piksel punya kinerja yang sama (uniform)

2.3.2.4.2 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

Sensor CMOS mampu merekam seluruh gambar yang disediakan oleh elemen sensitif

cahaya secara paralel (dasarnya semua sekaligus), mengakibatkan tingkat transfer data yang

lebih tinggi ke perangkat penyimpanan. Sirkuit tambahan ditambahkan untuk setiap elemen

individu untuk mengkonversi informasi tegangan ke data digital. Sebuah mikrolensa kecil

berwarna dipasang pada setiap elemen untuk meningkatkan kemampuan untuk

menginterpretasikan warna cahaya.

Gambar 22. CMOS dengan filter warna RGB dan mikrolensa diatasnya

Prinsip kerja CMOS:

Sebuah sensor CMOS, tidak mengubah gelombang cahaya menjadi muatan listrik pada

sebuah chip yang berbeda, tetapi mengubah foton menjadi elektron dengan mengolah data

pada saat itu juga (dan bukan pada chip lain). Dengan menggunakan amplifier, sensor ini

lebih cepat dari CCD. Namun, fakta bahwa tidak semua converter dan amplifier bekerja di

efisiensi yang berbeda, dapat menyebabkan noise. Sementara CMOS kebanyakan

menggunakan sistem RGB filtrasi yang sama, ada juga teknologi revolusioner baru yang

disebut Foveon (Sigma mulai menggunakannya, tetapi di produsen lebih masa depan akan

memperkenalkan model berbasis pada teknologi ini), yang menggunakan sifat-sifat silikon itu

sendiri untuk menyaring warna spektrum cahaya.

Gambar 23. Prinsip kerja CMOS

Berdasarkan gambar diatas, setiap pexel terdiri dari bahan semi-konduktor, ketika

terkena foton cahaya akan menghasilkan elektron, dalam setiap pixel elektron sekaligus

diubah menjadi tegangan. Kemudian melewati rangkaian penguat dan sinyal analog diubah

enjadi sinyal digital oleh ADC.

Keunggulan :

Praktis, keping sensor sudah termasuk rangkaian ADC (camera on a chip)

Hemat daya berkat integrasi sistem

Kecepatan proses responsif  (berkat parralel readout structure)

Tiap piksel punya transistor sendiri sehingga terhindar dari

masalah smearing atau blooming

Kekurangan :

Proses pematangan teknologi (untuk menyamai kualitas CCD perlu biaya besar)

Piksel dengan transistor didalamnya menurunkan sensitivitas piksel (area penerima

cahaya menjadi berkurang)

Piksel yang mampu mengeluarkan tegangan sendiri kurang baik dalam hal

keseragaman kinerja (uniformity)

3. Aplikasi Sensor Cahaya

Salah atu aplikasi sensor cahaya, yaitu :

Sensor CCD pada teleskop

Dengan garis tengah maksimum bukaan pupil mata yang hanya 8 milimeter, manusia

berkepentingan untuk mengembangkan alat bantu pengamatan, yakni teleskop, untuk

keperluan memindai langit dengan ukuran garis tengah cermin ataupun lensa yang jauh lebih

besar dibandingkan garis tengah pupil matanya. Dengan bantuan teleskop tersebut, tentunya

lebih banyak informasi dari langit yang dapat dikumpulkan dan lebih redup lagi objek langit

yang dapat dipindai.

Sebelum berkembangnya fotografi, astronom mencatat langsung segala sesuatu yang

dilihatnya dari balik teleskop. Sejak dikenalnya teknologi fotografi, astronom pun mulai

menggunakan pelat fotografi, yaitu pelat kaca berlapis emulsi fotografi, untuk memotret langit

sebagai ganti aktivitas menggambar langsung apa yang dilihat oleh mata. Dengan

menempatkan pelat fotografi di titik fokus teleskop, astronom memanfaatkan teleskop tak

ubahnya sebagai sebuah kamera raksasa.

Dengan makin berkembang pesatnya teknologi, sekarang astronom telah beralih kepada

penggunaan kamera CCD (Charge-Coupled Device), teknologi yang diadopsi secara besar-

besaran sebagai alat bantu pengamatan sejak era 1980-an. Berbeda dengan pelat fotografi

yang memerlukan proses pengolahan di kamar gelap menggunakan zat-zat kimia, penggunaan

CCD memungkinkan astronom memperoleh citra digital yang dapat langsung diolah dengan

komputer menggunakan bantuan perangkat lunak pengolah citra.

Meski memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan detektor astronomi

lainnya, seperti detektor fotografi dan fotomultiplier, tidak berarti CCD luput dari

kekurangan. Kekurangan yang masih menyertai teknologi ini di antaranya adalah jumlah

piksel yang terbatas. Sebagai contoh, kamera CCD generasi awal yang dipasangkan di

teleskop ruang angkasa Hubble (Hubble Space Telescope) hanya memiliki resolusi 800×800

piksel (= 640.000 buah piksel). Jauh di bawah film seluloid 35 mm yang lebih dulu menjadi

primadona fotografi yang memiliki resolusi setara dengan 2,5 juta buah piksel. Beberapa

teknik telah dikembangkan untuk mengatasi keterbatasan jumlah piksel ini, yaitu dengan

memperbesar ukuran fisik chip CCD-nya. Saat ini sudah berhasil dibuat CCD dengan ukuran

chip 2048×4096 piksel dengan ukuran tiap piksel 15×15 mikrometer (1 mikrometer =

0,000001 meter), seperti yang diinstalasikan di teleskop Keck di Hawaai. Teknik lainnya

adalah dengan menyusun beberapa chip kemudian dihubungkan dengan satu rangkaian

pengontrol, yang dikenal sebagai teknik mosaik.

Kekurangan lain CCD berhubungan dengan ketelitian peneraannya yang bergantung

pada jumlah bit (unit informasi terkecil dalam komputer) yang dipakai dalam Analog-to-

Digital Converter, di mana semakin tinggi resolusi dan rentang dinamik (kemampuan untuk

mencitrakan sumber cahaya terang dan redup bersamaan) yang diinginkan, jumlah bit yang

dipakai pun lebih banyak. Sebagai ilustrasi, CCD dengan 512×492 piksel yang dikode dengan

12 bit akan menghasilkan data sekitar ½ megabyte per bingkai citra (frame). Bila dihasilkan

100 bingkai citra saja, berarti jumlah data yang terkumpul sebanyak 50 megabyte. Diperlukan

komputer dengan kecepatan tinggi dan kapasitas memori yang besar. Lainnya terkait dengan

luas bidang langit yang dapat direkam oleh CCD yang belum dapat dibandingkan dengan

pelat fotografi. Ukuran chip CCD yang kecil membuat sempitnya medan langit yang dapat

diliput.

Gambar 24. Foto Nebula yang ditangkap oleh teleskop menggunakan CCD

Pilar gas dan debu di awan antarbintang yang dikenal sebagai nebula Elang (Eagle nebula). Lingkaran menunjukkan posisi bintang-bintang yang baru lahir. Gambar diperoleh dengan teleskop ruang angkasa Hubble.

Kini, CCD seperti yang terpisahkan dengan astronomi pengamatan. Gambar-gambar

spektakuler yang dihasilkannya telah merevolusi pemahaman kita tentang kosmos yang kita

diami. Fenomena-fenomena spektakuler  yang  terjadi  nun  jauh  di  sana yang berhasil

direkamnya, telah bercerita tentang betapa dinamisnya alam semesta; mulai dari kelahiran

bintang-bintang dari tempat pembiakan mereka, semburan jet dari pusat galaksi, kanabalisme

yang dilakukan oleh galaksi besar terhadap “galaksi satelitnya”, tabrakan antargalaksi,

petunjuk perihal eksistensi lubang hitam, hingga kematian bintang-bintang melalui peristiwa

dahsyat supernova. Tidaklah berlebihan karenanya bila The Royal Swedish Academi of

Sciences kerajaan Swedia menobatkan kedua tokoh penemu CCD –Boyle dan Smith– sebagai

salah satu penerima penghargaan Nobel fisika tahun ini.

DAFTAR PUSTAKA

1. Haus,jӧrg.optical sensor basic and aplications.2004.wiley-vch.england

2. http://www.ccd.com/pdf/FullProductLine.pdf

3. http://www.astrosurf.com/re/ccd_cameras.pdf

4. Sensor diunduh dari http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/17863/4/Chapter

%20II.pdf

5. Sensor Tranduser.pdf