設計願景成真

專訪 FE 50mm F1.2 G Master 研發團隊

光學設計負責人握住 XA 鏡片詳盡解釋
對光學設計的熱忱
機械設計負責人握住 XD 線性馬達詳盡解釋
自動對焦和機械設計
垂直握住配備 FE 50 mm F1.2 GM 鏡頭的相機之圖片
可靠易用
開發概念

真正容易使用的 F1.2 鏡頭

產品負責人兼光學設計負責人 / Atsuo Kikuchi

光學設計負責人握住 FE 50mm F1.2 鏡頭詳盡解釋

― 在設計 Sony 的第一款 F1.2 鏡頭時,您有甚麼目標?

Kikuchi:我們已在市場推出許多大光圈定焦鏡頭,但我們知道全世界的顧客都想要一款更快的大光圈鏡頭。最大的需求是 50mm「標準」F1.2 G Master。
 
在研發大光圈 F1.2 鏡頭時,我們知道需要保持 G Master Series 的高解析度和散景,同時確保鏡頭真正易於使用。如果只簡單優先考慮光圈大小,結果鏡頭變得又大又重,我們將失去鏡頭與機身組合小巧輕盈的特色,即 E-mount 系統的主要優勢。而且,無論其光學性能有多麼出色,如果鏡頭無法從相機機身的卓越自動對焦系統中獲得最大性能,或者根本無法使用自動對焦,就顧客滿意度而言,這種鏡頭註定不會成功。

為了獲得 Alpha 有史以來最快的 F 數值自動對焦鏡頭,而又不失自動對焦性能,兼具易於操作和便攜性,我們需要利用 Sony 最先進的技術。除了出色的光學性能外,我想擁有此鏡頭的顧客會對大光圈 F1.2 鏡頭的自動對焦操作如此輕巧快速和安靜感到驚訝。

我認為 F1.2 鏡頭加入 Alpha 系列產品的陣容,將把創作者的拍攝可能性提升到另一層次。這是專業人士和業餘愛好者均可在各種情況下使用的鏡頭,從拍攝人像和婚禮到風景和快拍都得心應手。

Alpha 系列的產品陣容包括了 Planar T * FE 50mm F1.4 ZA 鏡頭。將新的 FE 50mm F1.2 GM 鏡頭與之相比,儘管 F1.4 和 F1.2 的最大光圈差距聽來很小,但實際上是一個完整的半級光圈,而 F1.2 鏡頭為了收集額外的光線,其有效光圈(直徑)大約要大 17%,或光圈面積約大 40%,這為設計和製造小巧的 F1.2 鏡頭帶來主要障礙。
 
克服這個問題涉及許多新的挑戰。

儘管鏡頭為 F1.2,方法之一是採用 Sony 獨有的技術,即多個 XA(極限非球面鏡)鏡片,以減小前鏡片元件的尺寸。這避免增加前鏡片尺寸的需要,並允許我們徹底補償大直徑鏡片出現的像差。

為了完全抑制像差,我們採用了包括兩個對焦組的獨立驅動浮動對焦系統,以在整個對焦範圍內(包括最小對焦距離)對像差作出最佳補償。

對焦驅動器採用了 Sony 專有的 XD(極致動態)線性馬達,具有高推力且安靜。其中四個小巧型直接驅動器具有精確控制功能,確保點組設計可包含多個提供出色像差補償的元件。

因此,鏡頭具有 G Master 級別的解像度,而僅長 108mm(4 3/8 吋)及重 778 克(27.5 安士)的鏡頭主體,卻可從相機的自動對焦中提取最大的速度、準確性和追蹤性能,與目前的 Planar 鏡頭相同。我們為生產前所未有的 F1.2 鏡頭而感到自豪,希望對專業人士和發燒友都具有巨大的價值。

對光學設計的熱忱
F1.2 大光圈帶來令人驚嘆的解像度

Kikuchi:務求保持 F1.2 鏡頭的較小外形尺寸並實現高光學性能,因而採用了 Sony 專有的 XA 鏡片,並應用解像度、散景和色差模擬技術。
 
本質上,提高光學性能就是關於如何減少像差。

在以往,50mm 鏡頭通常使用高斯型佈局。高斯佈局具有鏡片元件組,可在中央光圈的兩側對稱分佈,導致光圈兩側的像差彼此抵消。它特別適合 50mm 的視角,因此過去大多數 50mm 鏡頭都採用這種結構。

然而,這種對稱結構本身僅補償了像面像差的失真和彎曲,例如,沒有有效補償球面像差或矢狀光斑。簡而言之,這種光學設計無法讓我們獲得想要的高像差補償性能。

一如經驗豐富的相機使用者所知,如果沒有足夠的像差補償,就不能在整個影像上實現高解像度。理想情況下,應該將點光源(如天空中的星星)對焦到影像中的任何點,但是對像差的補償不足可能會使它們看起來像撲動的鳥兒或呈現出色散的現象。為了解決這個問題,使用者可以縮小光圈,但這當然會抵消大光圈鏡頭的作用。

我們設計這款鏡頭的目的旨在達到一定的光學性能,讓使用者在最大光圈下拍攝亦感到絕對安心自在。為此,我們的光學佈局會「破壞」部分對稱設計,並徹底抑制了對稱鏡頭設計難以抑制的像差。

通常,為了修正球面像差和矢狀光斑,對稱型鏡頭多採用較大的前組鏡片,並且可能由許多鏡片組成。

我們的新光學配置僅使用三個 XA(極限非球面鏡)鏡片,避免擴大前組元件的直徑,並盡量使用最少數量的鏡片元件,從而實現小巧的整體尺寸。 

此圖顯示鏡頭配置
鏡頭配置圖表

[1] 極限非球面鏡(XA 鏡) 

顧名思義,「非球面」 XA 鏡片的表面曲率不是恆定,它隨著元件的中心到邊緣而變化。這款鏡頭使用的三個 XA 鏡片元件的形狀,應用了 Sony 專有的光學仿真技術,經過多次嘗試來進行優化。
 
如您所知,G Master Series 中使用的 XA 鏡片表面精確度已調低至亞微米級別。這款 F1.2 大光圈和較大外部元件直徑的鏡頭,如要所使用的三個 XA 鏡片達至所需的表面精確度,其製造過程的每個步驟精確度都需要大大提高。這是我們面對過最大的製造障礙。但整合設計和製造過程改進了每個步驟,而直接面對新技術挑戰,有助我們獲得大直徑和高精確度。

尤其是,在上述「鏡頭配置圖表」中,前排第二的 XA 鏡片有助大幅減少前部組件所需的鏡片元件數量及其尺寸和重量。能夠在這種位置使用大直徑非球面鏡片,其製造精確度只有 Sony 才能做到,這是其巨大的優勢,並加強了這款小巧 F1.2 鏡頭的整體光學設計。

Sony 專有的色差模擬技術用於優化玻璃材料的組合,顯著降低色差和色散,儘管具有大光圈,但仍達到了最高水平的解像度和對比度,秉承 G Master 的卓越水準。

當光學工程師查看鏡頭配置圖表時,有時可能會認為「這元件對修正像差沒有多大作用」(笑)。作為一名工程師,我的目標是用最少的鏡片元件實現最有效的像差修正。換句話說,就是尋求解決方法,整體使用小巧的鏡片,同時又能夠保持光學性能。從上面的 FE 50mm F1.2 GM 配置圖表中可以看出,其設計沒有任何浪費或妥協,仔細考慮了所有鏡片元件的曲率對像差的影響。我希望創作者能夠體驗並享受由終極光學設計帶來的小巧和光學性能。

Sony 獨特的 XA(極致非球面)鏡頭
光學設計負責人握住 XA 鏡片詳盡解釋
此圖顯示 MFT 圖表
MTF 圖表

[1] 對比 (%) [2] 鏡片光學中心的距離 (mm) [3] 最大光圈  [4] F8 光圈  [5] 空間頻率 [6] 10 線組 / mm [7] 30 線組 / mm [8] 徑向值 [9] 切向值

F1.2 G Master 帶來令人嘆為觀止的暢順細緻且豐富的散景

Kikuchi:F1.2 鏡頭以豐富散景著稱,但這種鏡頭不僅散景出色,還秉承 G Master 的特色,可帶來如奶油般柔滑的散景效果。尤其對於人像攝影,散景在自然突出拍攝主體方面發揮極重要的作用。散景是一種很感性的東西,這使得工程設計變得困難,但我們知道需要克服它,以滿足顧客對 F1.2 G Master 的期望。
 
從設計的最初階段開始,我們重複進行了散景模擬和調整,以辨別理想的球面像差水平,這使我們能夠同時優化散景和解像度而又不影響兩者的效果。

此外,在製造過程中,我們將鏡片的元件間距逐一調整,以精細控制球面像差,精確掌握前景和背景散景之間難以達到的平衡,從而實現漂亮自然的整體效果。

我之前談到 XA 鏡片製造時提及解像度,但是將表面精確度控制在亞微米水平亦可以抑制球形散景內的條紋或「洋蔥圈」效果。

XA 鏡片:表面精確度控制在 0.01 微米以下

[1-1] 傳統非球面鏡頭表面 [1-2] 不良的散景效果 [2-1] XA(極致非球面)鏡頭表面 [2-2] 美好的散景效果

此圖比較普通鏡片和 XA 鏡片的表面不規則度,顯示了"洋蔥圈"散景效果的差異
機械設計負責人握住 FE 50mm F1.2 詳盡解釋

機械設計負責人 / Yuichiro Takata

Takata:使用 11 片圓形光圈葉,能拍攝出柔和而美麗的散景。光圈單元是最新開發,即使在光圈全開或縮小兩級時也能保持幾乎圓形的形狀。
 
由於 F1.2 是大光圈,因此在傳統設計中,自然會使用大的光圈葉片。當光圈打開時,大葉片必須移至光路外部且超過有效直徑的逸出空間,這會增大鏡片本身的外徑。為了減小光圈單元的尺寸,我們必須從頭開始設計一切,從葉片的形狀到驅動機械的部件,一一重新設計。

光圈單元對確定光圈值和曝光非常重要。縮小組件的尺寸表示每個組件的加工及裝配精準方面都需要更高的精確度。我們徹底檢查機械加工和裝配過程,終於能夠做到小巧和高精確度。

機械設計負責人握住光圈單元詳盡解釋
光圈單元
FE 50mm F1.2 的正面視圖,同時將光圈收縮幾級
即使光圈縮小兩級,仍能保持圓形形狀
線性驅動器:小型化的關鍵

Takata:為了獲得自動對焦的高光學性能,機械和軟件控制團隊的密切合作最重要。

就像我之前所解釋,要在整個焦點範圍內保持高性能,就需要兩個由多個元件組成的對焦組。F1.2 鏡頭的大直徑無疑增加了對焦組的重量。對焦組重量的增加為對焦速度帶來嚴峻挑戰,而驅動器運行時噪音和震動也隨之增加。

問題是,如何在不犧牲自動對焦速度的情況下保持理想的解像度和散景水平。這款鏡頭的解決方法就是採用 Sony 專有的直接驅動 XD 線性馬達作為驅動器。

自動對焦和機械設計
即使是 F1.2,亦可達至高速、高精確度自動對焦

Takata:在 F1.2 鏡頭上實現高性能自動對焦的最大挑戰,是獲得淺景深所需的極高對焦精確度

即使最大光圈為 F1.2,也不能說它是「易於使用」的鏡頭,除非它提供適當水平的自動對焦精確度和追蹤性能。但技術上這是非常困難。這款鏡頭融合了多種技術,即使在 F1.2 極淺景深下,也可以達至高速、高精確度的自動對焦性能。四個功不可沒的功能是:浮動對焦結構、XD 線性馬達、四個對焦位置感應器,以及兩個達至最佳重心平衡效果的對焦鏡頭組合。

浮動對焦結構不僅提高光學性能,而且將對焦組一分為二及減輕每組的重量,從而有助實現快速而精確的自動對焦驅動。

另一方面,精確的對焦在 F1.2 光圈下達至全解像度性能至關重要,而這仍然需要精確同步兩個相對較大和較重的對焦鏡頭組的動作。這是透過 Sony 專有的 XD 線性馬達實現,儘管其體積小,但推力極高。

F1.2 的淺景深絕對沒有誤差的餘地,因此使用四個位置感應器追蹤對焦鏡頭組,以確保能一直準確掌握其精確位置。

最後,為了可以毫不浪費、有效利用 XD 線性馬達的推力,並使其更容易平衡兩個對焦組的重心,我們在兩個對焦組之間插入了固定光學組。這使馬達的推力點與每個對焦組的重心對齊,從而在最大程度上提高動力傳輸效率並免除浪費推力,進一步有助實現高速、高精確度和安靜的自動對焦驅動。 

驅動器控制負責人與 FE 50mm F1.2

驅動器控制負責人 / Yuki Mizuno

Mizuno : 請讓我補充一下有關對焦驅動器的一些資料。
 
首先,這款鏡頭總共使用了四個直接驅動 XD 線性馬達,兩個對焦鏡頭組分別獲分配了兩個馬達。

每個馬達都是根據 Sony 專有的馬達設計仿真數據設計。成熟的馬達設計仿真技術,使我們能研發出高效馬達,儘管受到嚴格的尺寸限制,仍可產生足夠的動力,並且在各種惡劣的環境中都具有高度可靠性。能設計出最適合本鏡頭之規格和尺寸的馬達,有助鏡頭保持小巧而又不影響性能。

通常,使用旋轉式驅動器驅動重型對焦組,但將旋轉變為線性運動的凸輪和齒輪無疑會導致動力損耗。而涉及的許多機械零件又會產生噪音和震動。

對我們想要的高性能 F1.2 鏡頭而言,這絕對行不通。因此,我們決定使用小型但功能強大的馬達以便直接和線性驅動對焦組,並採用具有高速、低噪訊和低震動特點的 XD 線性馬達。

但線性馬達沒有減速機制,因此為了實現高速、高精確度的自動對焦,便需要非常靈敏的控制。

具體來說,我前面提到的四個感應器可精確檢測對焦組的位置,並以超快的反饋週期將位置數據供給控制系統,從而提高反應速度。這是利用 Sony 專有的控制仿真技術。鏡頭移動和停止的許多模式都經過全面反覆模擬,並在實際硬件上測試及分析。最終調校並微調至最適合這款鏡頭,以使驅動器的驅動動作從加速到制動都順暢自如。

這種精細的控制將驅動噪音和震動降低到一定程度,甚至讓您可能懷疑鏡頭是否在移動。XD 線性馬達由軟件控制,可提供最快的自動對焦和反應速度,使我們能夠製造具出色光學性能的小巧型鏡頭。

Sony 完全把握未來相機的發展方向,一款全新鏡頭應運而生

Kikuchi:我也想談一談這款 F1.2 鏡頭如何充分利用相機機身的功能。Sony 從裝置層面開發了所有必不可少的組件,包括影像感測器,因此,相機和鏡頭是在內部同時開發,以作為一個整體系統。當我們開發可換鏡頭時,我們還預期到機身的未來發展,以確保鏡頭能夠從未來的機身中獲得最大性能。

這款鏡頭非常適合與 2021 年 1 月 發佈的新型 α1 配合使用,可進行 30fps 連拍,8K 和 4K120p 高解析度影片拍攝。然而,我們也試圖預測相機機身的未來趨勢。我們的目標是追求最佳性能的設計,不僅著眼於現在,更要放眼於未來。

可靠易用
毫不妥協的操作性能

Takata:我們研發的這款鏡頭在操作性能上也毫不妥協,因此亦適合在專業場合使用。
 
例如,儘管其外殼小巧,但在鏡頭的頂部和側面均設有可自訂的對焦固定按鈕,無論是在水平位置還是在垂直位置拍攝人像,都具有相同的操作感。

Mizuno : 我們在設計 F1.2 時也考慮到手動對焦,尤其注意對焦環的位置、其轉矩和旋轉時的手感。這款鏡頭配備了「線性反應手動對焦」,其對對焦環的旋轉作出直接且線性反應,以確保精確的對焦調整,甚至亦能對移動很小的對焦環作出反應。在 F1.2 大光圈時,對位置精確度的要求很高,而我們研發了可以滿足此要求的鏡頭。

堅固耐用,足以應付專業環境

Kikuchi:鏡頭具有良好的密封性能,可防止污垢、灰塵和水濺,防塵防潮設計為使用者提供了保證。
 
前鏡片具有氟塗層,可防塵,並易於抺走所有污染物或指紋。

Mizuno : 我們也考慮了環境溫度變化。機械和電子組件的屬性(例如驅動器的推力)會隨環境和溫度而變化。此鏡頭包含的軟件可透過自主計算各種控制參數來不斷優化性能,即使在惡劣條件下也能保持精確度。

因此,即使在野外惡劣條件下(例如極冷或極熱的環境)拍攝時,也可確保創作者可以獲得高性能的拍攝成果。

結語:前無古人的 F1.2 鏡頭

Kikuchi:作為光學設計師,將這款具有極高解析度和散景效果的鏡頭稱為 G Master Series 巔峰之作,絕無誇大其辭。我期待顧客親身體驗這款 F1.2 鏡頭的美麗散景和高解析度。
 
儘管這款鏡頭為 F1.2,但其在小巧、高性能,以及某些難以只用規格描述的方面實現了極佳的平衡。我鼓勵創作者親自試用。這款鏡頭囊括了 Sony 技術的各個專業領域,因此,作為鏡頭工程師,我很想看到使用者用它拍攝各種各樣的場景。

Mizuno : 這是一款非常靈活的鏡頭,具有多種可能用途,由專業人士到發燒友都適合使用。無與倫比的 F1.2 鏡頭。不僅適用於人像和婚禮等用途,其高性能的自動對焦功能還使其在捕捉稍縱即逝的瞬間,以及追蹤體育賽事等活動的快速移動主體時表現出色。

Takata:這款小巧的 F1.2 鏡頭在影片拍攝方面,亦性能出眾。手持或安裝於雲台,自動對焦性能即使在 F1.2 淺景深時也可輕鬆追蹤主體。自動對焦和光圈的安靜,再加上流暢、精確和反應靈敏的手動對焦環,對影片攝影師來說非常吸引。我希望大家會喜歡這種影片的全新視覺表達形式。

這款鏡頭為實驗拍攝藝術提供了新方法,真正體現 G Master Series 的價值和潛力。