让设计愿景变为现实 ——FE 50 mm F 1.2 GM 开发团队访谈

让设计愿景变为现实 ——FE 50 mm F 1.2 GM 开发团队访谈

开发理念——设计真正易用的 F1.2 镜头

产品兼光学设计负责人:菊地敦雄(Atsuo Kikuchi)

在开发索尼第一支 F 1.2 镜头时,你们设定了哪些目标?

菊地:索尼已经发布了很多支大光圈定焦镜头,但我们知道全世界的用户都希望有一支更高速更明亮的大光圈镜头,而需求最大的就是 50 mm“标准”(焦距) F 1.2 大光圈 G 大师镜头。

在开发 F 1.2 大光圈镜头时,我们在保持 G 大师镜头系列标志性的高分辨率和散景的同时,还要考虑镜头的易用性。如果仅考虑光圈的大小,而镜头最终变得又大又重,将会失去镜头与机身组合后的紧凑和轻巧性,也就意味着放弃 E 卡口系统的主要优势。而且无论镜头的光学性能多么出色,如果无法实现出色的自动对焦,或者根本无法实现自动对焦,相信很多用户并不会满意。  

为了设计出 Alpha 历史上最大光圈的自动对焦镜头,又要在不妥协自动对焦性能的同时保持专业操控和便携性,我们采用了索尼最先进的技术。除了出色的光学性能外,我相信用户还会对大口径 F 1.2 镜头紧凑轻巧的设计,以及安静、快速和精准的自动对焦性能感到满意。  

我认为在 Alpha 系列产品中增加 F 1.2 镜头后,用户的创作可能性将进一步提高。它是专业摄影师和摄影爱好者在各种拍摄题材都可以使用的镜头,例如人像、婚礼、风光和街拍。 Alpha 系列产品已经包括 Planar T * FE 50mm F1.4 ZA 镜头,与新的 FE 50mm F1.2 GM 镜头相比,尽管 F 1.4 和 F 1.2 的最大光圈之间的差别听起来很小,但实际上是半档光圈差距, F 1.2 镜头额外聚光需要有效光圈(直径)约大 17 %,或孔径面积大近 40 %,这是在设计小型化 F 1.2 大光圈镜头时,存在的主要设计和制造障碍。  

克服这个问题涉及许多新的挑战。其中之一是通过采用多个 XA(超级非球面)镜片-索尼独有的技术,既减小前镜片的尺寸,也让镜头实现了 F 1.2 大光圈,并且有效补偿了大直径镜片中出现的像差。

为了有效抑制像差,镜头采用了包括两个对焦镜组的独立驱动的浮动对焦系统,以便在整个对焦范围内(包括最近对焦距离)对像差进行有效补偿。

对焦驱动采用了索尼独有的 XD 线性马达,具备高驱动力和安静的特点。四个紧凑型直驱动线性马达具有精准控制功能,因此多个对焦镜组设计可以有效的补偿像差。

最终,实现了镜头长度仅为 108 mm ,重量仅为 778 克的紧凑和轻量化设计,具备 G 大师镜头标志性的分辨率,并且可以结合索尼微单™ 实现快速、精准和安静的自动对焦和跟踪性能。我们为设计出如此出色的 F 1.2 镜头而感到自豪,希望帮助专业摄影师和摄影发烧友拍摄出更加出色的作品。

不妥协的光学设计,F 1.2 光圈下的高分辨率

菊地:为了在 F 1.2 规格镜头中保持较小外形尺寸,同时又要实现高光学性能,FE 50mm F1.2 GM 采用了索尼独有的 XA 镜片,并采用了分辨率、散景和色差模拟技术。

本质上,提高光学性能与减少像差有关。

从历史上看,50 mm 镜头通常采用高斯结构。高斯结构具有成组的镜片,它们在中央光圈的两侧对称分布,可使光圈两侧的像差彼此抵消。高斯结构特别适合 50 mm 视角,因此过去大多数 50 mm 镜头都采用了这种结构。   

然而,这种对称结构本身仅补偿了像场的畸变和曲率,并没有有效地补偿球面像差或矢状耀斑。简而言之,这种光学设计不会让我们获得想要的高像差补偿性能。  
 

如经验丰富的相机用户所知,如果没有足够的像差补偿,就不可能在整个影像范围实现高分辨率。理想情况下,应该将点光源(如天空中的星星)聚焦到影像中为一个点,但是补偿不足的像差,可能会使它们看起来像飞翔的鸟儿或是颜色扩散的光斑。为了解决这个问题,用户可以将光圈减小,但这会让大光圈镜头无法发挥自身最大优势。  

我们希望这款镜头的光学性能,可以满足用户在最大光圈下拍摄的苛刻需求。为此,我们在光学结构部分打破了对称设计,并有效抑制了对称镜头设计难以控制的像差。
 

为了校正球面像差和矢状耀斑,通常对称结构的镜头倾向于采用较大的前镜片,并且由许多镜片组合而成。我们的新光学设计仅使用三个 XA(超级非球面)镜片,避免了扩大前镜片的直径,并将镜片的数量减少,从而实现了整体紧凑的尺寸。

镜头结构图

顾名思义,XA 镜片的 “非球面” 镜片表面曲率不是恒定的,而是从中心到边缘会有所变化。该镜头中使用的三枚 XA 镜片均使用索尼独有的光学模拟技术,经过多次迭代对镜片的形状进行了优化。

G 大师镜头系列中使用的 XA 镜头表面精度已低至亚微米级别。该镜头的 F 1.2 大光圈和较大的外部直径镜片,要求所采用的三个 XA 镜片制造过程中,每个步骤的精度上都要有实质性的提高,以实现所需的更高表面精度,这是我们有史以来面临的最高级别的制造挑战。但是经过整合设计,以及改善了每个步骤的制造流程,直面新技术挑战帮助我们实现了大直径和高精度的 XA 镜片。

我们来看一下镜头结构图(上图),前排第二枚 XA 镜片在很大程度上有助于减少前组所需的镜片数量,并且还有助于减小其尺寸和重量。在这个位置上使用大直径非球面镜片,制造精度目前只有我们才能实现,这个巨大的优势支撑了紧凑型 F 1.2 镜头的整个光学设计。

索尼独有的色差模拟技术用于优化玻璃材料的组合,有效地降低了色差和色散,尽管面对大光圈挑战,但仍达到了高水平的分辨率和对比度,与 G 大师镜头系列品质保持一致。

当光学工程师查看镜头结构图时,他们有时会认为 “此设计对校正像差没有太大作用”。(笑)作为一名工程师,我的目标是用最少的镜片实现最有效的像差校正。换句话说,就是寻求能够在保持光学性能的同时,提供整体镜头的紧凑性解决方案。从上面的 FE 50 mm F1.2 GM 的结构图中可以看出,该设计没有浪费或妥协,所有镜片的曲率都因其对像差的影响而被反复地考虑。我希望用户能够体验并享受最终光学设计所带来的紧凑性和光学性能的结合。

F1.2 镜头带来平滑和丰富的散景

菊地:F1.2 镜头以其丰富和柔美的散景而著称,这种镜头不仅具有丰富的散景,还具有光滑如奶油般化开的柔美散景特征,达成 G 大师镜头的标志性背景虚化效果。尤其对于人像摄影,柔美的散景可使拍摄对象自然的脱颖而出,这对拍摄出唯美的背景虚化效果照片非常重要。散景是非常重要的事情,它使镜头设计变得困难,但是我们需要完善它,以满足用户对 F 1.2 大光圈 G 大师镜头的期望。

从设计的最初阶段开始,我们进行了反复的散景模拟和调整,以辨别理想的球差水平,这使我们能够在不影响两者的前提下一起优化散景和分辨率。

此外,在制造过程中还要逐个调整镜片的间距以精确控制球差——掌握前景和背景散景之间的复杂平衡,以实现唯美的整体效果。

XA 镜片不仅可以满足高分辨率,将表面精度控制到亚微米水平,也可以抑制球形散景中的条纹和 “洋葱圈” 效应。

[1-1] 传统的非球面镜片表面 [ 1 – 2 ] 不良的散景效果 [ 2 – 1 ] XA(高级非球面)镜片表面 [ 2 – 2 ] 柔美的散景效果
机械设计负责人:高田悠一郎(Yuichiro Takata)

高田:11 枚圆形光圈叶片的也使柔和美丽的散景成为可能。镜头采用新开发光圈单元,即使是收缩两档也可以保持几乎圆形的形状。

由于 F 1.2 是大光圈,因此在常规设计中,光圈叶片自然也会很大。并且当光圈打开时,大叶片必须移至光路外部且超过有效直径的逸出空间,这会增大镜片本身的外径。为了减小光圈单元的尺寸,我们不得不从新设计一切,包括从叶片的形状到驱动机构组件。

光圈单元对于确定光圈值和曝光非常重要。缩小组件的尺寸,意味着在每个组件的加工以及装配精度方面都需要更高的精度。通过检查机械加工和装配过程,实现了小型化和高精度并存。

光圈单元
即使收缩两档也能保持圆形光圈

线性直驱马达:小型化的关键

高田:为了实现高光学性能与自动对焦,需要机械和软件控制团队密切合作。

正如我前面所解释的,在整个焦对焦围内保持高性能,需要由多个元件组成的两个对焦组。而 F 1.2 镜头的大直径必然增加了对焦镜组的重量。增加对焦镜组重量会影像对焦速度,以及对焦马达运行时噪音和振动的增加。

问题是如何在不牺牲自动对焦速度的情况下,保持出色的分辨率和散景水平。而解决方案就是采用索尼自主的直驱 XD 线性马达进行对焦。

自动对焦和机械设计,F 1.2 光圈实现快速、精准的自动对焦

高田:在 F 1.2 镜头上实现高性能自动对焦,最大挑战是实现浅景深所需的高对焦精度。

即使最大光圈为 F 1.2 ,也不能说它是一颗 “好用” 的镜头,除非它提供了优秀的自动对焦精度与跟踪对焦性能,但这在技术上确实很难实现。该镜头结合了多种新技术,即使在 F 1.2 的极浅景深下也能实现快速和高精度的自动对焦。其中四个部分贡献最大:浮动对焦结构;XD 线性马达;四个对焦位置传感器;以及两个对焦镜组重心的平衡优化。

浮动对焦结构不仅提高了光学性能,将对焦镜组分为两部分还可以减轻每组的重量,从而有助于实现快速精准的自动对焦。  

另一方面,精准的对精度对于实现 F 1.2 全开的分辨率性能至关重要。通过索尼独有的 XD 线性马达驱动对较大和较重的两个对焦镜组精确地同步运动,从而实现快速精准的对焦。虽然 XD 线性马达体积小,但驱动力却很高。

F 1.2 的浅景深在拍摄时没有误差的余地,因此使用四个位置传感器跟踪对焦镜组,以确保始终准确知道其精确位置。

最后,为了有效地利用 XD 线性马达的推力且不损耗,并使两个对焦镜组的重心更容易平衡,在两个对焦镜组之间插入了固定的光学组件。这使马达的推力点与每个对焦镜组的重心对齐,从而最大程度地提高了动力传输效率并消除了损耗的推力,有助于进一步实现快速、精准和安静的自动对焦。

驱动控制负责人:水野遊生 ( Yuki Mizuno )

水野:请允许我补充有关对焦马达的更多信息。

首先,该镜头总共使用了四个直驱 XD 线性马达,两个对焦镜组分别分配了两个马达。

每个马达都是根据索尼独有的马达设计仿真数据进行设计。马达设计模拟技术的进步使开发高效马达成为可能,尽管尺寸受到严格限制,但仍可产生足够的功率,并在各种恶劣环境下都具有非常高的可靠性。设计规格和尺寸最适合镜头的马达,有助于在不影响性能的情况下实现紧凑性。

一般来说,旋转型马达用于驱动较重的对焦镜组,但是将旋转转换为线性运动的凸轮和齿轮不可避免地会导致功率损耗,并且许多机械零件会产生噪音和振动。

对于高性能 F 1.2 镜头而言这是行不通的,因此我们决定使用小型但功能强大的马达来直接线性地驱动对焦镜组,采用 XD 线性马达实现快速、静音和低振动。

但是由于线性马达没有减速机构,因此为了实现快速和精准的自动对焦,需要非常灵敏的控制。

具体来说,我前面提到的四个传感器精确地检测了对焦镜组的位置,并以快速的反馈周期将该位置数据提供给控制系统,从而提高了响应速度,这也利用了索尼独有的控制模拟技术。镜头移动和停止的许多模式都经过了反复的完整模拟,并在实际硬件上进行了测试和分析。最终进行了调整以使驱动器从加速到静止均实现平稳地运动-这是该镜头的最佳选择。

这种精细的控制将驱动噪音和振动降低到非常低程度,以至于用户可能怀疑镜头是否在移动。 XD 直驱线性马达由软件控制,可提供最大的自动对焦和响应速度,使我们能够制造出拥有出色光学性能的紧凑型镜头。

可满足索尼现在和未来机身需求的镜头

菊地:我也想谈谈 F 1.2 镜头如何充分利用相机机身的性能。索尼从系统层面开发了所有必不可少的组件,包括影像传感器,因此相机和镜头作为一个整体系统在内部同时开发。当我们开发可更换镜头时,还要照顾到机身的未来发展,以使镜头能够从未来的机身中获得最佳的性能。

当然,这款镜头非常适合与 2021 年 1 月发布的新机 Alpha 1 结合使用,可进行 30 fps 连拍, 8K 和 4K 120 p 高分辨率视频拍摄。我们也试着预测机身的未来趋势,我们的目标是追求不仅是满足现在机身的需求,也能满足未来的机型的高画质和高性能的需求。

可靠性和易用性

专业的操控

高田:我们开发的这款镜头在操作性上也毫不妥协,因此可以满足专业摄影师的需求。

例如,尽管其外型紧凑,但在镜头的顶部和侧面均提供了可自定义的对焦保持按钮,无论是在水平还是在垂直位置拍摄人像,都具有相同的专业操作感受。

水野:我们在设计 FE 50 mm F1.2 GM 时还考虑了手动对焦,尤其是对焦环的位置,注重扭矩和旋转时的手感。镜头配备了线性响应手动对焦系统,可让对焦环直接线性地作出响应,以保证精准的对焦调节,甚至可以对对焦环的很小的移动做出反应。在 F1.2 时,对位置精度要求很高,但我们开发了满足该需求的镜头。

坚固耐用 可在复杂严苛环境中使用

菊地:镜头密封良好,可防止污垢,灰尘和水溅–防尘和防潮设计为用户提供了保证。

前镜片的氟化物涂层可降低镜头表面沾染水渍、油污、灰尘和其他污染物的几率。

水野:我们还考虑了环境温度的变化,例如机械和电气组件的属性(例如对焦马达的推力)随环境和温度的变化而改变。该镜头的软件可通过自主计算各种控制参数,来不断优化性能,即使在苛刻条件下也能保持精度。

最终,即使在野外严苛条件下(例如极冷或极热的环境)拍摄时,用户也可以用这款高性能镜头放心地拍摄。

值得拥有的 F 1.2 镜头

菊地:作为光学设计师,我可以毫不夸张地说,这款镜头是 G 大师镜头系列的巅峰之作,具备高分辨率和优秀的散景。我期待用户可以亲身体验这款 F 1.2 镜头带来的柔美背景虚化效果和高分辨率。

尽管最大光圈达到了 F1.2,但这款镜头在紧凑性和高性能方面达到了平衡,并且具备很多专业的性能。镜头包含了索尼很多新技术,因此作为一名镜头工程师,我很愿意看到用户使用它拍摄各种不同的题材。

水野:这是一款可进行多种拍摄题材的镜头,满足专业摄影师和发烧友的不同的拍摄需求。它不仅适合拍摄人像和婚礼等题材,高性能的自动对焦功能还使其能够出色地捕捉转瞬即逝的瞬间,例如跟踪体育赛事中快速移动的对象。

高田:这款紧凑的 FE 50 mm F1.2 GM 镜头还为视频拍摄提供了出色的性能。手持或采用稳定器拍摄时,即使在 F 1.2 的景深较浅时自动对焦性能也可以轻松跟踪被摄对象。优秀的自动对焦和安静与平滑的光圈环,精准和响应灵敏的手动对焦环相结合,让摄像师倍受青睐。我希望用户会喜欢这种新的视频视觉表达形式。

通过提供新的拍摄体验,该镜头充分体现了 G 大师镜头系列的价值和潜力。

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