Perkembangan teknologi display (Bagian-2)

pengukuran fotometri
Tampilan GUI IVLLab software yang biasanya terhubung dengan spectrometer dan digunakan untuk melakukan pengukuran parameter-parameter fotometri dan OLED

Pada bagian ke-2 ini, saya akan membahas lebih dalam tentang fotometri dan beberapa parameter lainnya secara mendalam seperti quantum efficiency (efisiensi kuantum), power efficiency (effisiensi daya), colorimetry (warna), dan lifetime. Tapi sebelum jauh ke parameter-parameter tersebut, kita akan bahas dulu tentang radiometri dan fotometri sebagaimana yang telah saya singgung sebelumnya pada tulisan bagian pertama, bahwa salah satu parameter yang digunakan dalam teknologi display adalah brightness (kecerahan). Kajian mengenai brightness (luminance), di dalam fisika berada di bawah tema besar optika. Setelah itu, barulah kita bahas mengenai parameter lainnya.

Bagian 1: Mengenal konsep gelombang cahaya dan solid angle (sudut ruang)

Dalam fisika, berdasarkan media perambatannya, gelombang terbagi menjadi 2, gelombang mekanik dan gelombang elektromagnetik. Gelombang mekanik adalah gelombang yang perambatannya membutuhkan media perantara, contohnya adalah gelombang suara. Gelombang suara dapat merambat melalui 3 media perantara: padat, cair dan gas. Dan tentunya kecepatan gelombang bunyi pada masing-masing perantara akan berbeda. Adapun gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang tak membutuhkan media perantara untuk merambat, contohnya adalah cahaya. Dan spektrum gelombang elektromagnetik ini sangat luas. Tetapi dalam konteks fotometri kita batasi hanya pada cahaya tampak saja (panjang gelombang 380 – 770 nm). Kita akan bahas fotometri pada bagian yang ke-2 nanti.

gelombang
Dua jenis gelombang, mekanik dan elektromagnetik

Konsep selanjutnya yang perlu kita ketahui adalah mengenai solid angle. Solid angle dalam bahasa Indonesia disebut juga sebagai sudut ruang. Konsep ini sangat penting terutama pada bagian selanjutnya dalam perhitungan besaran radiant atau luminous. Untuk lebih mudah memahami sudut ruang, saya gunakan perbandingan antara sudut pada koordinat polar dan bola serta sudut ruang. Silahkan perhatikan gambar berikut ini.

Sudut ruang
Perbandingan antara sudut dalam koordinat polar dan bola, dan sudut ruang

Mungkin anda bertanya-tanya, apa makna fisis dari sudut ruang (solid angle) ini? Secara matematis, sudut ruang mengukur seberapa besar benda itu tampak bagi pengamat yang melihat dari titik tersebut.

***

Bagian 2: Radiometri dan Fotometri

Radiometri dan Fotometri
Radiometri dan fotometri

Dari gambar di atas, kita dapatkan sebuah informasi, yaitu perbedaan mendasar antara radiometri dan fotometri. Dua istilah tersebut tentunya berasal dari bahasa inggris “radiometry” dan “photometry”. Radiometri merupakan seperangkat teknik untuk mengukur radiasi gelombang elektromagnetik, termasuk cahaya tampak (visible light), sedangkan fotometri hanya mengukur cahaya tampak saja. Baik radiometri dan fotometri, keduanya merupakan seperangkat teknik pengukuran. Oleh karenanya, setidaknya ada 4 teknik pengukuran:

  • Radiant dan Luminous Flux
  • Radiant Intensity dan Luminous Intensity
  • Irradiance dan Illuminance
  • Radiance dan Luminance

Keempat besaran tersebut, saya ringkaskan dalam gambar berikut ini.

1.Radiant
Radiant dan Luminous flux

Radiant / Luminous flux = mengukur total daya dari cahaya yang terpancar. Dari besaran ini kita akan dapatkan karakter penglihatan manusia yang pada keadaan cukup-cahaya ada pada panjang gelombang 555 nm (683 lumens per watt)

2. Radiant intensity
Radiant dan Luminous Intensity (intensitas radiant / luminous)

Radiant / Luminous Intensity (intensitas radiant / luminous) = daya per satuan arah. Dan di sinilah kita akan dapati satuan “candela” yang merupakan satuan internasional dari intensitas cahaya. Jadi, kita dapat katakan bahwa luminous intensity sebagai intensitas cahaya. Satuan candela setara dengan lumen per steradian (sudut ruang)

3. Irradiance
Irradiance dan Illuminance, karakteristik sumber cahaya

Irradiance / Illuminance merupakan laju di mana energi radiant jatuh pada satuan luas permukaan, mengukur seberapa banyak cahaya yang datang (energi radiasi) menerangi permukaan. Besarnya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak.

4. Radiance
Radiance dan Luminance

Radiance dan luminance ini mengukur kuantitas radiasi yang dipancarkan dari sebuah permukaan dan jatuh pada jarak dan sudut ruang tertentu. Besaran inilah yang nantinya disebut sebagai brightness dengan satuan nit atau candela per satuan luas.

***

Bagian 3: Parameter lainnya

Spectrometer
Dari data spectrometer (Radiance), kita dapat hitung banyak besaran lainnya seperti Luminance, Quantum efficiency, power efficiency, koordinat warna, dan current efficiency

Gambar di atas merupakan ringkasan apa yang terjadi dibalik software IVLLab yang terhubung pada spectrometer. Gambar di atas saya buat saat saya masih bekerja sebagai peneliti di salah satu perusahaan di Korea Selatan. Pada saat itu, ada dua hasil yang berbeda dari satu perangkat (device) saat dilakukan pengukuran menggunakan dua alat yang berbeda. Untuk mengetahui mana yang benar dan mana yang tidak, maka perlu dilakukan kalibrasi. Tapi sebelum itu, saya perlu mengetahui terlebih dahulu, alat mana yang butuh dikalibrasi. Dan untuk mengetahuinya, maka saya gunakan pendekatan analisis kuantitatif seperti ditunjukkan pada gambar di atas. Penjelasan lengkap mengenai penurunan formula atau rumus dapat dibaca pada jurnal ini: G. Gu et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 4, 83 (1998).

Dari gambar tersebut, kita dapat simpulkan, bahwa untuk mengetahui instrumen mana yang bermasalah, saya cukup melakukan perhitungan manual terhadap grafik radiance dari dua instrumen tersebut. Setelah itu kita bandingkan antara hasil pengukuran kedua instrumen terhadap hasil hitung manual. Jadi kunci cara kerja software tersebut adalah grafik radiance. Jika kita bisa dapatkan grafik radiance, maka semua parameter yang dibutuhkan, akan dengan mudah didapatkan. Seperti misalnya, dari data grafik radiance, kita dapat ubah ke besaran luminance, quantum efficiency (efisiensi quantum), dan koordinat warna (color coordinate, colorimetry). Adapun dari besaran luminance, kita dapat ubah ke besaran power efficiency (efisiensi daya) dan current efficiency (efisiensi arus listrik).

Untuk besaran radiance dan luminance, sudah kita bahas pada bagian 2 di atas. Dengan demikian, menyisakan 4 parameter lainnya. Saya akan jelaskan secara singkat saja.

  1. Quantum efficiency atau efisiensi quantum, biasanya disingkat dengan Q.E, didefinisikan sebagai banyaknya foton yang dipancarkan oleh material tertentu atau device dibandingkan dengan banyaknya elektron yang disuntikkan ke dalam device sehingga device atau material tersebut memancarkan cahaya.
  2. Current efficiency atau efisiensi arus listrik, didefinisikan sebagai perbandingan antara candela dengan ampere, atau dengan kata lain antara intensitas cahaya (output) dengan arus listrik yang disuntikkan ke dalamnya untuk menghasilkan intensitas sebesar itu (input).
  3. Power efficiency atau efifiensi daya, didefinisikan sebagai perbandingan antara luminous flux (output) yang dihasilkan dengan input daya.
  4. Color coordinate atau koordinat warna. Dalam dunia optik, mata kita sangat sulit membedakan antara biru muda dengan biru tua dengan berbagai varian konsentrasi warna. Oleh karenanya di dalam komputer, ada kode html untuk berbagai warna. Kode tersebut berhubungan dengan jenis warna yang sangat sulit kita berikan istilahnya, karena terlalu banyak. Begitu pula dalam optik, kita membutuhkan definisi atau daftar warna yang sangat banyak jika kita ingin beri nama. Alih-alih menggunakan nama sebagai istilah warna, maka digunakanlah koordinat, dan koordinat ini memiliki standar internasional nya sendiri yang disebut dengan CIE (Commission Internationale de l’Eclairage).
  5. Lifetime. Adapun lifetime, didefinisikan sebagai lama waktu sebuah material atau device dapat memancarkan cahaya dengan tingkat radiasi tertentu sampai efisiensinya turun 5%. Untuk mengukur lifetime, membutuhkan alat pengukuran yang berbeda dengan paramater di atas.
CIE 1931
CIE 1931 chromaticity diagram

Pembahasan selanjutnya adalah mengenai jenis-jenis display.

Kesimpulan

  1. Brightness dalam bahasa teknis merupakan besaran luminance dalam bahasa fisika
  2. Dengan memperoleh besaran radiance, maka semua parameter lain akan dapat dengan mudah di hitung. Dan grafik radiance spectrum didapatkan dengan menggunakan alat yang bernama spectrometry.

 

Bersambung…

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 )

Google photo

You are commenting using your Google 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 )

Connecting to %s