落實設計願景

FE 50 mm F1.2 G Master 開發團隊訪談

光學設計負責人拿著 XA 鏡片解釋
對光學設計的熱忱
機械設計負責人拿著 XD 線性馬達解釋
自動對焦和機械設計
垂直拿著裝有 FE 50 mm F1.2 GM 鏡頭相機的影像
可靠性和易用性
開發概念

打造真正方便好用的 F1.2 鏡頭

產品領導人暨光學設計負責人/Atsuo Kikuchi

光學設計負責人拿著 FE 50 mm F1.2 鏡頭解釋

您在設計 Sony 首款 F1.2 鏡頭時,目標是什麼?

Kikuchi:我們已經在市面上推出多款大光圈定焦鏡頭,但我們知道世界各地的客戶都想要更快速的大光圈鏡頭。需求度最高的是 50 mm 的「標準」F1.2 G Master。
 
開發大光圈 F1.2 鏡頭時,我們都知道必須維持 G MASTER 系列的高水準解析度和散景,同時維持鏡頭的易用度。如果我們僅優先考量光圈大小,那麼鏡頭終究會過於厚重,失去鏡頭結合機身輕盈小巧的特色,也就是 E 接環系統的主要優勢。無論鏡頭的光學特性多麼出色,只要無法發揮相機機身傑出自動對焦系統的極致性能,或者完全無法使用自動對焦功能,客戶肯定不會滿意。

為了成就 Alpha 歷史上最快的 F 值自動對焦鏡頭,同時兼顧自動對焦性能以及容易操作和便攜性,我們必須採用 Sony 最頂尖的技術。除了卓越的光學性能,我認為大光圈 F1.2 鏡頭的自動對焦操作能夠如此輕巧、快速又安靜,肯定會讓客戶感到驚豔。

我想 Alpha 產品有了 F1.2 鏡頭這款生力軍,將為創作者帶來全新境界的拍攝可能。無論是人像和婚禮攝影,或是風景和快拍,專業人士和業餘玩家都可在各種情況下使用這款鏡頭。

Alpha 產品已包含 Planar T* FE 50 mm F1.4 ZA 鏡頭。相較於全新的 FE 50 mm F1.2 GM 鏡頭,儘管 F1.4 和 F1.2 最大光圈之間的差異看似較小,但實際上差異為一個完整的半級光圈,而 F1.2 鏡頭額外收光時,有效光圈 (直徑) 必須放大約 17%,或是光圈面積增加約 40%,若要讓 F1.2 鏡頭變得輕盈小巧,在主要設計和製造方面有其難度。
 
想要克服這個問題,必須面臨許多全新挑戰。

其中一項就是採用 Sony 獨家技術的多 XA (極限非球面) 鏡片來縮小前玉的尺寸,儘管這是 F1.2 鏡頭。這樣就不必增加前玉的尺寸,也可讓我們徹底補償大直徑鏡頭所產生的像差。

為了有效抑制像差,我們採用涵蓋兩組對焦鏡組的獨立驅動浮動對焦系統,以充分補償整個對焦範圍 (包括最小的對焦距離) 的像差。

對焦驅動系統採用 Sony 獨家的 XD (極高動態) 線性馬達,具備強大動力與安靜的特點。這些輕巧的直接驅動致動器中有四個致動器能夠精準控制,讓對焦鏡組設計得以包含多個鏡片,有效補償了像差。

因此鏡頭具備 G Master 等級的解析度,能夠有效提升相機自動對焦的速度、準確度及追蹤性能,而且鏡身長度只有 108 mm (4 3/8 吋),重量也只有 778 g (27.5 盎司),與現有的 Planar 鏡頭相同。能夠生產如此前所未有的 F1.2 鏡頭,我們十分引以為傲,希望也能為專業人士與攝影愛好者帶來龐大價值。

對光學設計的熱忱
F1.2 令人驚豔的解析度

Kikuchi:為了提升 F1.2 鏡頭的光學性能,同時保有輕巧尺寸,不僅採用 Sony 獨家的 XA 鏡片,還運用了解析度、散景及色差等模擬技術。
 
基本上,提升光學性能和如何減少像差有關。

就以往經驗來看,50 mm 鏡頭通常會使用高斯型配置。高斯型配置會採用多組鏡片,並對稱分布在中央光圈的兩側,讓光圈兩側的像差彼此抵消。這特別適合 50 mm 視角,因此過去大部分的 50 mm 鏡頭都會採用這種配置。

然而,對稱結構本身僅能補償變形和場曲像差,而且無法有效補償像是球面像差或弧矢耀光等。也就是說,這種光學設計的像差補償性能達不到我們的要求。

有經驗的相機使用者都知道,若像差補償效果如果不足,就無法為整個影像提供高度解像能力。單點光源 (例如夜空中的星星) 最好能夠對焦在他們在影像中的位置,但像差補償不足可能會讓單點光源看起來像是振翅飛翔的鳥,或是呈現色彩擴散。為了克服這點,使用者可能會縮小光圈,但這肯定會使大光圈鏡頭失去作用。

我們使用這款鏡頭的目的是為了達到一定程度的光學性能等級,讓使用者能夠真正自在地使用最大光圈拍攝。為了實現此目標,我們的光學配置會部分「打破」對稱設計,並徹底抑制對稱鏡頭設計難以抑制的像差。

通常為了校正球面像差和弧矢耀光,對稱型鏡頭會使用大尺寸前玉,而且可能是由許多鏡片組成。

全新光學配置只使用三枚 XA (極限非球面) 鏡片,避免增加前玉的直徑,並且將鏡片數量降到最低,讓整體尺寸變得輕盈小巧。 

鏡頭組成示意圖
鏡頭組成圖

[1] 極限非球面鏡片 (XA 鏡片) 

「非球面」一詞顧名思義就是指 XA 鏡片的表面曲度不是固定的,從鏡片中心到邊緣的曲度都會改變。此鏡頭所用的三枚 XA 鏡片形狀均透過 Sony 獨家光學模擬技術進行多次處理,以達到最佳化狀態。
 
如您所知,G Master 系列所用的 XA 鏡片表面精準度均已調整至次微米等級。為了提升所需的表面準確度,所用的三枚 XA 鏡片在製造過程中都必須大幅提升每個步驟的精準度,才能造就此鏡頭的 F1.2 大光圈和外部大鏡片直徑。這是有史以來在製造上面臨的最大挑戰。不過整合設計和製造過程可以改善每個步驟,而正面迎擊全新的技術挑戰則幫助我們實現大直徑與高精準度的目標。

特別是在上述鏡頭組成圖中前方數來第二個的 XA 鏡片貢獻最大,減少了前方組件所需的鏡片數量及其尺寸和重量。只有 Sony 能夠製造出具備這種精準度的大直徑非球面鏡片,而能夠在這個位置使用這樣的鏡片是極大優勢,也為輕巧的 F1.2 鏡頭整體光學設計奠定了基礎。

Sony 獨家的色差模擬技術可完美結合各種玻璃材質,大幅減少色差和色彩擴散情形,儘管採用大光圈,仍可提供最高等級的解析度和對比,G Master 的稱號名符其實。

當光學工程師看著鏡頭組成圖時,有時可能會想著「這鏡片對於修正像差的作用不大啊」(笑)。身為工程師,我的目標是採用最少的鏡片達到最佳的像差修正效果;換句話說,必須找出能夠讓整體鏡頭變得輕盈小巧,同時又能保有光學性能的解決方案。如您在上述的 FE 50 mm F1.2 GM 組成圖所見,為了修正像差,所有鏡片的曲度都經過精密考量,在設計上絲毫不浪費或受到影響。我希望創作者都能夠體驗並享受極致光學設計完美結合輕巧與光學性能的美好。

Sony 獨家的 XA (極限非球面) 鏡片
光學設計負責人拿著 XA 鏡片解釋
MFT 圖的示意圖
MTF 圖

[1] 對比 (%) [2]  到鏡頭光學中心點的距離 (mm) [3] 最大光圈 [4] F8 光圈 [5] 空間頻率 [6] 10 對線條 / mm [7] 30 對線條 / mm [8] 半徑值 [9] 切線值

F1.2 G Master 提供流暢又豐富的散景,令人驚嘆

Kikuchi:F1.2 鏡頭不僅以其豐富的散景聞名,還具備理想、流暢又細膩的散景特色,G Master 的稱號名符其實。尤其在人像方面,散景更是扮演了至關重要的角色,能夠自然地凸顯拍攝主體。散景是相當感性的意境,對工程師來說不易理解,但我們知道必須做到盡善盡美,才能滿足客戶對 F1.2 G Master 的期望。
 
我們從最初的設計階段,就不斷地模擬和調整散景功能,以判斷理想的球面像差等級,因此才能夠同時最佳化散景和解析度,而不會影響彼此。

此外,在製造期間,會逐鏡片調整間隔以精確控制球面像差,而掌握前景和背景散景之間的平衡實屬不易,如此才能達到優美的整體中性效果。

我稍早提過製造 XA 鏡片時的解析度,但是將表面精準度控制在次微米等級也可以抑制球形散景中的條紋或「洋蔥圈」效果。

XA 鏡片:表面精準度向下控制至 0.01 微米等級

[1-1] 傳統非球面鏡片表面 [1-2] 不美觀的散景 [2-1] XA (極限非球面) 鏡片表面 [2-2] 美觀的散景

此圖比較一般鏡片和 XA 鏡片的鏡片表面不規則現象,顯示「洋蔥圈」散景效果產生的差異。
機械設計負責人拿著 FE 50 mm F1.2 解釋

機械設計負責人/Yuichiro Takata

Takata:11 刃片的圓形光圈也有助拍出柔和優美的景深照。全新開發的光圈元件,即便設定為離完全開啟僅低兩檔,也幾乎可以維持圓形。
 
由於 F1.2 是一個大光圈,因此在傳統設計上,光圈葉片自然也會很大。光圈開啟時,大葉片必須移動到光學路徑和有效直徑以外的閃避空間,而這會增加鏡頭本身的外部直徑。為了縮減光圈元件的尺寸,我們必須從頭開始逐一地重新設計一切,包括刃片形狀、驅動機制元件等。

光圈元件是決定光圈值和曝光的關鍵。縮減元件尺寸表示在製作每個元件時必須提高精準度以及組件的準確度。在徹底重新檢視製作和組裝過程後,我們就能實現微型化和高精準度的目標。

機械設計負責人拿著光圈元件解釋
光圈元件
FE 50 mm F1.2 的正面圖,同時將光圈關閉數級
即便縮小 2 級也可以維持圓形
線性驅動致動器:微型化的關鍵

Takata:為了提升自動對焦的光學性能,機械和軟體控制團隊必須密切合作。

如我先前所說,要在整個對焦範圍維持高性能,需要兩個由多個鏡片構成的對焦鏡組。F1.2 鏡頭的直徑較大,肯定會增加對焦鏡組的重量。對焦鏡組的重量增加,會大幅影響對焦速度,而驅動功能在運作時,也會產生更多的噪音與震動。

問題在於如何讓解析度和散景維持在理想水準,同時兼顧自動對焦速度。若要解決此鏡頭的問題,必須採用 Sony 獨家的直接驅動 XD 線性馬達做為致動器。

自動對焦和機械設計
即便是 F1.2,也能高速又精確地自動對焦

Takata:讓 F1.2 鏡頭具備高性能自動對焦功能的最大挑戰,在於實現淺景深所需的超高對焦準確度。

即便採用 F1.2 的最大光圈,此鏡頭仍稱不上真正的「方便好用」,除非自動對焦準確度和追蹤性能都可達到相稱的等級,但是這在技術上困難重重。此鏡頭結合了各種技術和技巧,即便使用 F1.2 的極淺景深,也能達到高速、高準確的自動對焦性能。有四項特色元件設計貢獻最大:浮動對焦結構;XD 線性馬達;四個對焦位置感光元件;以及有效平衡兩個對焦鏡組的重心。

浮動對焦結構不只提升了光學性能,將對焦鏡組一分為二也減少了每組的重量,有助實現快速精準的自動對焦驅動作業。

另一方面,F1.2 若要達到完整的解析度性能,對焦是否精確至關重要,而這需要精準地同步移動依然相對厚重的兩個對焦鏡組。Sony 獨家的 XD 線性馬達可以實現這一點;儘管體積不大,但動力十足。

F1.2 的淺景深不允許任何出錯空間,因此使用四個位置感光元件來追蹤對焦鏡組,以確保能夠隨時準確掌握其實際位置。

最後,為了最有效地運用 XD 線性馬達的動力並避免浪費,同時能更輕鬆地平衡兩個對焦鏡組的個別重心,會在兩個對焦鏡組之間插入一個固定的光學鏡組。有了這項設計,就能根據每個對焦鏡組的重心調整馬達的動力點,有效提升電力傳輸效率並減少動力浪費,然後進一步實現高速、高準確度又安靜無聲的自動對焦驅動作業。 

致動器控制負責人和 FE 50 mm F1.2

致動器控制負責人/Yuki Mizuno

Mizuno:讓我補充一些對焦驅動系統的資訊。
 
首先,這款鏡頭一共採用四個直接驅動 XD 線性馬達,其中兩個馬達各指派給兩個對焦鏡組使用。

每個馬達都會根據 Sony 獨家馬達設計模擬技術提供的資料來設計。馬達設計模擬技術的優勢能夠開發出高效率馬達,儘管尺寸有限仍可產生充足的電力,而且在各種嚴苛的環境下也具備高度的可靠性。我們能夠根據最適合這款鏡頭的規格和尺寸來設計馬達,因此外型不僅輕巧,還能兼顧性能。

正常情況下會使用旋轉式致動器來驅動厚重的對焦鏡組,但相機以及將旋轉轉換成線性動作的齒輪難免會造成電力流失,而這當中涉及許多機械零件,也會產生噪音和震動。

這對於我們要打造的高性能 F1.2 鏡頭來說不適用,所以我們決定使用小型強力馬達直接且線性地驅動對焦鏡組,因而採用具備高速、低噪音與低震動特色的 XD 線性馬達。

但是由於線性馬達沒有減速機制,因此為了提高自動對焦的速度和準確度,就需要極度靈敏的控制能力。

具體來說,我先前提到的四個感光元件可以精準偵測對焦鏡組的位置,並且以超快的回饋循環速度提供位置資料給控制系統,藉此提升靈敏度。這同樣需採用 Sony 的獨家控制模擬技術。許多鏡頭動作與停止的模式都經過全面性地反覆模擬,並且在實際的硬體上測試與分析。最後執行調諧作業,讓致動器能夠順暢加速或制動,成為這款鏡頭的最佳選擇。

如此精準地控制力可以降低驅動噪音和震動,成效之高可能會讓人疑惑鏡頭是否移動。XD 線性馬達採用軟體控制,可大幅提升自動對焦速度和靈敏度,讓我們打造出光學性能極其卓越的輕巧鏡頭。

一款源自 Sony 對未來相機明確願景的鏡頭

Kikuchi:我也想淺談一下這款 F1.2 鏡頭如何充分發揮相機機身的功能。Sony 從裝置層級著手開發各種必要元件,包括感光元件,因此我們將相機和鏡頭視為整體系統並於內部同時開發。當我們開發可交換鏡頭時,也期待機身日後能有所進展,確保鏡頭能夠充分發揮未來機身的性能。

當然,此鏡頭最適合搭配 2021 年 1 月發布的全新 α1 使用;這款產品具備 30 fps 連拍、8K 及 4K 120p 高解析度的影片拍攝功能。不過我們也試著預測相機機身的未來趨勢,目標是締造能發揮極致性能的最佳設計,不只現在如此,將來亦如。

可靠性和易用性
操作流暢,登峰造極

Takata:我們開發的這款鏡頭在操作上同樣追求完美頂級,因此適用各種專業場合。
 
舉例來說,儘管外殼輕巧,鏡頭頂端和側邊都有自訂的對焦鎖定按鈕,無論是水平拍攝或垂直拍攝人像,操作手感都同樣舒適。

Mizuno:我們在設計 F1.2 時也不忘手動對焦功能,特別著重在對焦環的位置、扭矩以及旋轉時的手感。這款鏡頭配備線性響應手動對焦,能夠直接且線性地回應對焦環旋轉,確保能夠精準調整對焦,就算對焦環的移動再小也能有所回應。F1.2 十分講究位置準確度,而我們開發的鏡頭足以滿足此需求。

堅固耐用,適合在專業環境中使用

Kikuchi:這款鏡頭密封性良好,能夠阻絕髒汙、灰塵並防潑水,具備防塵防滴的設計,可讓使用者安心使用。
 
前玉採用氟鍍膜,可防止髒汙進入,而且可輕易擦去任何汙漬或指紋。

Mizuno:我們也考量到環境溫度的變化。機械和電子元件的特性 (例如致動器的動力) 會隨著環境與溫度而改變。鏡頭搭載的軟體可自主計算各種控制參數的方式,進而持續將性能最佳化,即便在嚴苛的條件下也能維持精準度。

所以就算在極冷或極熱等嚴苛的野外環境條件下,也能確保為創作者提供高性能操作。

最終,前所未有的 F1.2 鏡頭

Kikuchi:這款鏡頭具有十分出色的解析度和散景,身為光學設計師的我,稱這款鏡頭是 G Master 系列的顛峰之作一點都不為過。我期待客戶親自來體驗這款 F1.2 鏡頭絕美的散景和高解析度。
 
儘管這是 F1.2 鏡頭,但是在輕巧、高性能,以及難以單就規格衡量的層面上,取得絕妙平衡。我歡迎創作者親身來體驗。這款鏡頭囊括了 Sony 的各種技術,因此身為鏡頭工程師的我非常樂見使用者用這款鏡頭來拍攝各式各樣的場景。

Mizuno:這是一款用途廣泛、適合各類使用者的鏡頭,無論是專業人士或攝影愛好者都可靈活運用。這是有史以來最出色的 F1.2 鏡頭。高性能自動對焦功能不僅適合人像和婚禮攝影,還能巧妙捕捉稍縱即逝的時刻,以及在體育賽事等活動中追蹤快速移動的主體。

Takata:輕盈小巧的 F1.2 鏡頭在影片拍攝上,同樣具備卓越性能。即便在 F1.2 使用淺景深的情況下,無論手持或使用穩定器,自動對焦性能都能輕鬆追蹤主體。安靜的自動對焦和光圈操作,搭配精準流暢又靈敏的手動對焦環,同樣備受影片攝影師的青睞。我希望觀眾會喜歡新型態的影片視覺表達手法。

這款鏡頭提供全新的拍攝藝術體驗,真正體現 G Master 系列的價值與潛力。