06
Sep
10

MENGINTIP LANGIT DENGAN “MATA DIGITAL”

بسم الله الرحمن الرحيم

Astronomi pengamatan mengalami revolusi setelah mengadopsi teknologi CCD secara besar-besaran sebagai alat bantu pengamatan pada era 1980-an. Beberapa ciri utama CCD yang membuatnya mampu memberikan terobosan besar dalam ranah pengamatan adalah nilai efisiensi kuantumnya yang tinggi, responsnya yang bersifat linear terhadap fluks cahaya, dan cakupan panjang gelombang yang lebar (inframerah sampai soft X-ray). Sebuah temuan tak disengaja yang pada akhirnya mengantarkan kedua ilmuwan penggagasnya ke dalam deretan nama-nama prestisius peraih penghargaan Nobel.

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.

Konsep muatan terkopling (coupled) ini pertama kali digagas oleh Willard Sterling Boyle dan George Elwood Smith dari Bell Laboratories pada tahun 1969. Pada awalnya, elektron yang dipindahkan harus diinjeksikan melalui suatu terminal input dengan tegangan listrik sebagai pemicunya. Belakangan diketahui bahwa elektron yang akan digerakkan tersebut dapat  terbentuk akibat interaksi cahaya dengan substrat semikonduktor; suatu fenomena yang dikenal sebagai efek foto listrik. Berangkat dari fakta ini terbuka kemungkinan untuk menjadikan CCD sebagai detektor cahaya. Setelah 40 tahun berselang, pada 6 Oktober 2009 lalu The Royal Swedish Academi of Sciences telah memilih Boyle dan Smith sebagai peraih nobel bidang fisika tahun ini –berbagi bersama Charles Kuen Kao untuk perannya dalam pencarian dan pengembangan serat optik berdaya hantar tinggi– atas kepeloporan mereka dalam meletakkan dasar-dasar teknologi pencitraan digital.

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.

Ilustrasi cara kerja CCD sebagai sensor cahaya yang diterapkan dalam kamera digital. http://kva.se (A-C Reibekiel)

Kemampuan CCD dalam menangkap cahaya (foton) yang datang dan kemudian membangkitkan muatan melalui efek foto listrik menyatakan efisiensi pembangkitan muatan. Umumnya dinyatakan sebagai fungsi panjang gelombang cahaya yang tiba di detektor. Efisiensi pembangkitan muatan ini sering disebut juga sebagai efisiensi kuantum, yaitu nisbah antara cahaya yang diubah menjadi sinyal listrik terhadap jumlah cahaya yang tiba.

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.

Sementara itu, seberapa akurat suatu chip CCD mampu menampilkan citra dari elektron yang terkumpul, digambarkan oleh besaran yang disebut efisiensi pengumpulan muatan. Terdapat tiga faktor penting yang terkait dengan kemampuan ini, yaitu: (1) jumlah piksel, yang menunjukkan ukuran fisik dan resolusi CCD. Jumlah piksel CCD inilah yang menentukan resolusi citra akhir yang diperoleh, (2) jumlah maksimum elektron yang dapat ditampung masing-masing piksel, di mana piksel yang lebih besar akan menampung lebih banyak elektron, dan (3) kemampuan piksel menampung elektron hingga dilakukannya proses pemindahan dan pengukuran muatan listrik.

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.

Elektron yang terkumpul akan memberikan arus listrik yang dapat diukur. Transistor akan menguatkan arus tersebut untuk selanjutnya ditera sebagai besaran energi yang diterima detektor dari sumber cahaya. Derau (noise) adalah segala bentuk sinyal yang tidak diinginkan dan kehadirannya mengganggu besaran yang hendak diukur. Untuk memperoleh hasil pengukuran yang berkualitas, derau yang muncul harus dihilangkan menggunakan kaidah-kaidah tertentu dalam proses pengkalibrasian citra.

CCD dan Astronomi

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.

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.

والله أعلم

الله يأخذ بأيدينا إلى مافيه خيرللإسلام والمسلمين

Judhistira Aria Utama, M.Si.

Dosen di Jurusan Pendidikan Fisika

FPMIPA Universitas Pendidikan Indonesia (UPI)


0 Responses to “MENGINTIP LANGIT DENGAN “MATA DIGITAL””



  1. Leave a Comment

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s


%d bloggers like this: