Urzeczywistnianie wizji projektanta

Wywiad z twórcami obiektywu FE 50 mm F1.2 G Master

Kierownik zespołu projektującego optykę mówi o obiektywie, trzymając soczewkę XA
Zamiłowanie do projektowania optyki
Kierownik zespołu projektującego mechanikę mówi o obiektywie, trzymając silniki liniowe XD
System AF i konstrukcja mechaniczna
Zdjęcie trzymanego pionowo aparatu z obiektywem FE 50 mm F1.2 GM
Niezawodność i łatwość użycia
Koncepcja produktu

Jak powstawał naprawdę łatwy w użyciu obiektyw F1.2

Kierownik projektu i główny projektant optyki / Atsuo Kikuchi

Kierownik zespołu projektującego optykę mówi o obiektywie FE 50 mm F1.2, trzymając go w ręku

― Jaki był cel opracowania pierwszego obiektywu F1.2 w ofercie Sony? 

Kikuchi: Wprowadziliśmy na rynek wiele obiektywów stałoogniskowych z dużym otworem przysłony, ale wiedzieliśmy, że klienci oczekują obiektywu o jeszcze większej jasności. Najczęściej wskazywano na „standardowy” obiektyw 50 mm F1.2 G Master.
 
Opracowywaliśmy obiektyw F1.2 ze świadomością, że musimy zachować wysoką rozdzielczość i doskonały bokeh serii G Master, a do tego zapewnić autentyczną łatwość użycia. Gdybyśmy po prostu nastawili się na wielkość otworu przysłony, przez co obiektyw zrobiłby się za duży i za ciężki, stracilibyśmy małe wymiary i lekkość zestawu obiektyw-korpus, czyli główny atut systemu mocowania typu E. A obiektyw, który nie pozwala wycisnąć maksymalnej wydajności ze znakomitego systemu AF w korpusie lub zwyczajnie nie ma systemu AF, byłby z góry skazany na porażkę mimo najlepszych nawet parametrów optycznych.

Aby stworzyć najjaśniejszy obiektyw AF w historii rodziny α, a przy tym nie pogorszyć działania automatyki ostrości i zapewnić poręczność i łatwą obsługę, trzeba było sięgnąć po najbardziej zaawansowane technologie Sony. Myślę, że użytkownicy tego jasnego obiektywu F1.2 będą zdziwieni nie tylko znakomitymi właściwościami optycznymi, lecz także lekką, szybką i cichą pracą systemu AF.

Moim zdaniem powiększenie rodziny α o ten obiektyw F1.2 otwiera przed twórcami jakościowo nowe możliwości. To produkt dla zawodowca i amatora, do fotografowania portretów i ślubów, krajobrazów i codziennych sytuacji.

W rodzinie α jest już obiektyw Planar T* FE 50 mm F1.4 ZA. Jeśli porównamy z nim nowy FE 50 mm F1.2 GM, widzimy niewielką z pozoru różnicę w maksymalnym otworze przysłony, F1.4 i F1.2. W rzeczywistości jest to pół stopnia. Uzyskanie tej dodatkowej światłoczułości oznacza około 17-procentowy wzrost średnicy efektywnej przysłony w obiektywie F1.2, czyli powiększenie otworu przysłony o blisko 40%. W rezultacie zaprojektowanie i wykonanie kompaktowego obiektywu F1.2 okazuje się bardzo trudne.
 
Przezwyciężenie tego problemu wymagało pokonania wielu nowych wyzwań.

Jednym z nich było utrzymanie niewielkich wymiarów przedniej soczewki poprzez zastosowanie soczewek XA (extreme aspherical), opartych na własnej technologii Sony. Dzięki nim uniknęliśmy zwiększenia przedniej soczewki i mogliśmy starannie skompensować aberracje występujące w większych soczewkach.

Aby całkowicie wyeliminować aberracje w całym zakresie ustawień ostrości, zastosowano system z „szybującymi” soczewkami, obejmujący dwie niezależnie napędzane grupy soczewek ostrości.

Rolę napędu systemu ostrości pełnią silniki liniowe Sony XD (extreme dynamic), łączące dużą siłę z cichą pracą. Bezpośredni napęd czterema precyzyjnie sterowanymi silnikami tego rodzaju pozwolił wprowadzić grupy ostrości z wieloma soczewkami lepiej kompensującymi aberrację.

W rezultacie powstał obiektyw o rozdzielczości godnej serii G Master, który w pełni wykorzystuje szybkość, dokładność i wydajność śledzenia systemu AF aparatu, a przy tym ma długość 108 mm i waży tylko 778 g — tyle samo, co obecny obiektyw Planar. Jesteśmy dumni, że wyprodukowaliśmy obiektyw F1.2, jakiego dotąd nie było. Mamy nadzieję, że będzie on wielką wartością dla zawodowców i pasjonatów.

Zamiłowanie do projektowania optyki
Wyjątkowa rozdzielczość aż po F1.2

Kikuchi: Aby obiektyw F1.2 miał zaawansowane parametry optyczne przy zachowaniu małych wymiarów, użyto firmowych soczewek Sony XA oraz technik symulacji rozdzielczości, efektu bokeh i aberracji chromatycznej.
 
Polepszanie parametrów optycznych sprowadza się generalnie do osłabiania aberracji.

Dawniej obiektywy 50 mm były oparte na konstrukcji Gaussa, w której grupy soczewek rozmieszczone są symetrycznie po obu stronach przysłony. W rezultacie aberracje po obu stronach przysłony znoszą się wzajemnie. Rozwiązanie to sprawdza się najlepiej dla kąta widzenia obiektywu 50 mm, dlatego stosowano je w większości obiektywów 50 mm.

Symetryczna konstrukcja kompensuje jednak tylko dystorsję i zakrzywienie perspektywy, a nie na przykład aberrację sferyczną czy astygmatyzm sagitalny. Krótko mówiąc, nie moglibyśmy skompensować aberracji na takim poziomie, o jaki nam chodziło.

Doświadczeni użytkownicy aparatów wiedzą, że bez wystarczająco skutecznej kompensacji aberracji nie da się uzyskać dużej zdolności rozdzielczej w całym obrazie. W idealnych warunkach punktowe źródła światła w dowolnym miejscu kadru, na przykład gwiazdy na niebie, byłyby odwzorowywane jako punkty. Przy niedostatecznie skompensowanej aberracji wyglądają jednak jak lecące ptaki lub mają rozszczepione kolory. Można temu przeciwdziałać, przymykając przysłonę, ale to oczywiście neguje sens obiektywu z dużym otworem przysłony.

Naszym celem było uzyskanie takich parametrów optycznych, by każdy mógł komfortowo fotografować z maksymalnie otwartą przysłoną. Zastosowany przez nas układ optyczny częściowo łamie symetrię i dzięki temu pozwala starannie skorygować aberracje, które występowały w konstrukcji symetrycznej.

Aberrację sferyczną i astygmatyzm sagitalny w symetrycznym obiektywie koryguje się zwykle za pomocą dużej liczby soczewek i dużej przedniej soczewki.

Nasz nowy układ optyczny z trzema soczewkami XA (extreme aspherical) pozwala uniknąć użycia dużej przedniej soczewki, do minimum ogranicza liczbę soczewek i zapewnia niewielkie wymiary całego obiektywu. 

Ilustracja przedstawiająca konfigurację obiektywu
Diagram konfiguracji obiektywu

[1] Soczewka XA (extreme aspherical) 

Soczewka asferyczna XA zgodnie ze swoją nazwą nie ma stałej krzywizny powierzchni — zmienia się ona od środka ku obwodowi. Kształty trzech soczewek XA użytych w tym obiektywie kilkakrotnie optymalizowano przy użyciu firmowej technologii Sony do symulacji optycznych.
 
Być może wiecie, że obróbka powierzchni soczewek XA do obiektywów G Master odbywa się z dokładnością do ułamków mikrometra. Duża przysłona F1.2 i wzrost średnicy zewnętrznej soczewki tego obiektywu wymagały dokładniejszego ukształtowania powierzchni, a przez to znacznego zwiększenia precyzji na wszystkich etapach produkcji każdej z soczewek XA. Nigdy wcześniej nie napotkaliśmy w produkcji równie dużych trudności. Mimo to, integrując projektowanie z procesami produkcyjnymi, wprowadziliśmy ulepszenia na wszystkich etapach, a stawiając czoła nowym wyzwaniom technicznym, zdołaliśmy uzyskać i dużą średnicę, i wysoką precyzję.

Szczególne znaczenie ma tu soczewka XA, która na powyższym diagramie konfiguracji obiektywu jest umieszczona jako druga od przodu. Dzięki niej mogliśmy zmniejszyć liczbę soczewek w przedniej grupie, a tym samym wymiary i wagę. Możliwość użycia w tym miejscu soczewki asferycznej o dużej średnicy, wykonanej z dokładnością osiągalną tylko dla Sony, była olbrzymią zaletą. Na soczewce tej opiera się cała konstrukcja optyczna tego kompaktowego obiektywu F1.2.

Opracowana przez Sony technologia do symulacji aberracji chromatycznej pomogła zoptymalizować użycie różnych rodzajów szkła i radykalnie osłabiła ten rodzaj aberracji. Mimo dużego otworu przysłony uzyskaliśmy więc najwyższe poziomy rozdzielczości i kontrastu, stosownie do założeń serii G Master.

Inżynier optyk oglądający diagram konfiguracji obiektywu może czasem pomyśleć, że „ta soczewka nie ma specjalnego znaczenia dla skorygowania aberracji” (śmiech). Jako inżynier dążę do maksymalnie efektywnego skorygowania aberracji przy użyciu jak najmniejszej liczby soczewek. Innymi słowy, szukam rozwiązań zapewniających małe wymiary obiektywu przy zachowaniu dobrych właściwości optycznych. Powyższy diagram konfiguracji pokazuje, że w projekcie obiektywu FE 50 mm F1.2 GM nie ma żadnej niedbałości czy kompromisów i że wnikliwie przeanalizowano krzywiznę każdej soczewki i jej wpływ na aberracje. Mam nadzieję, że użytkownicy zauważą i docenią to połączenie małych wymiarów z parametrami optycznymi, będące owocem konstrukcji optycznej o najwyższym poziomie.

Unikatowe soczewki Sony XA (extreme aspherical)
Kierownik zespołu projektującego optykę mówi o obiektywie, trzymając soczewkę XA
Ilustracja przedstawiająca wykresy MTF
Wykres MTF

[1] Kontrast (%)  [2] Odległość od środka optycznego obiektywu (mm) [3] Maks. przysłona  [4] Przysłona F8  [5] Częstotliwość przestrzenna [6] 10 par linii/mm  [7] 30 par linii/mm [8] Wartości radialne  [9] Wartości styczne

Niezwykłe gładki i bogaty efekt bokeh w obiektywie F1.2 G Master

Kikuchi: Obiektywy F1.2 są znane z bogatego efektu bokeh, ale w przypadku tego obiektywu chodzi nie tylko o wymiar, lecz także o idealną gładkość efektu bokeh, odpowiadającą założeniom serii G Master. Bokeh odgrywa niezwykle ważną rolę w naturalnym eksponowaniu głównego obiektu, zwłaszcza przy portretowaniu. To coś bardzo zmysłowego, a przez to trudnego dla inżyniera. Było jednak jasne, że musimy go okiełznać, by spełnić oczekiwania przyszłych użytkowników.
 
Od pierwszych etapów projektowania wykonywaliśmy kolejne symulacje i korekty bokeh, by określić idealny poziom aberracji sferycznej i optymalizować bokeh w połączeniu z rozdzielczością.

Dokładną kontrolę nad aberracją sferyczną w fazie produkcji zapewnia indywidualna regulacja odstępów między soczewkami w poszczególnych obiektywach. Pozwala ona znaleźć równowagę między pierwszym planem a miękkim tłem i uzyskać piękny, neutralny rezultat końcowy.

Wspomniałem już o rozdzielczości w produkcji soczewek XA. Dodam jeszcze, że obróbka powierzchni z dokładnością do ułamków mikrometra eliminuje powstawanie pasków czy też „warstw” w okrągłych plamach bokeh.

Soczewki XA: powierzchnia formowana z dokładnością do 0,01 mikrometra

[1-1] Powierzchnia tradycyjnej soczewki asferycznej  [1-2] Nieatrakcyjny efekt bokeh  [2-1] Soczewka XA  [2-2] Piękny efekt bokeh

Porównanie niedokładności powierzchni zwykłych soczewek i soczewek XA z pokazaną różnicą w „warstwowym” efekcie bokeh
Kierownik zespołu projektującego mechanikę mówi o obiektywie FE 50 mm F1.2, trzymając go w ręku

Główny projektant mechaniki / Yuichiro Takata

Takata: Piękny, miękki efekt bokeh to także zasługa 11-listkowej przysłony kołowej. Ten nowy moduł zaprojektowano tak, by po przymknięciu w pełni otwartej przysłony o dwa stopnie jej utwór nadal miał kształt niemal idealnego koła.
 
F1.2 to duża przysłona, więc w przypadku tradycyjnej konstrukcji duże byłyby także same listki. A po otwarciu przysłony te duże listki muszą znaleźć się poza ścieżką optyczną i efektywną średnicą, co wymaga zwiększenia zewnętrznej średnicy samego obiektywu. Aby utrzymać niewielkie wymiary modułu przysłony, musieliśmy projektować wszystko od podstaw, po kolei, od kształtu listków po elementy mechanizmu napędzającego.

Moduł przysłony odgrywa bardzo ważną rolę przy określaniu wartości przysłony i ekspozycji. Aby zmniejszyć wymiary jego elementów, trzeba zwiększyć dokładność ich wytwarzania i montażu. Dogłębna analiza procesu produkcji i montażu pozwoliła nam jednak połączyć miniaturyzację z dokładnością.

Kierownik zespołu projektującego mechanikę mówi o obiektywie, trzymając moduły przysłony
Moduł przysłony
Widok z przodu obiektywu FE 50 mm F1.2 z przysłoną przymkniętą o kilka stopni
Kształt koła nawet po zmniejszeniu przysłony o 2 stopnie
Napęd silnikami liniowymi: klucz do miniaturyzacji

Takata: Uzyskanie dobrych parametrów optycznych i wydajnego systemu AF wymagało ścisłej współpracy mechaników z programistami.

Jak już mówiłem, do zapewnienia dobrych parametrów w całym zakresie ostrości konieczne są dwie grupy soczewek ostrości złożone z wielu elementów. Duża średnica obiektywu F1.2 oznacza oczywiście cięższe grupy soczewek ostrości. To z kolei rodzi poważne problemy z szybkim ustawianiem ostrości. W dodatku napęd pracuje głośniej i bardziej wibruje.

Pojawiło się więc pytanie, jak utrzymać idealną ostrość i bokeh bez pogorszenia szybkości autofokusa. W przypadku tego obiektywu rozwiązaniem był bezpośredni napęd silnikami liniowymi Sony XD.

System AF i konstrukcja mechaniczna
Szybka i bardzo dokładna automatyka ostrości — nawet przy F1.2

Takata: Największą trudnością w stworzeniu wydajnego systemu AF do obiektywu F1.2 było zapewnienie bardzo dokładnego ustawiania ostrości, niezbędnego przy małej głębi ostrości.

Obiektyw F1.2 zostanie uznany za „łatwy w użyciu”, o ile będzie gwarantować odpowiednią dokładność systemu AF i efektywność śledzenia. Z perspektywy technicznej jest to jednak bardzo trudne. Aby system AF tego obiektywu działał szybko i dokładnie nawet przy F1.2, gdy głębia ostrości jest bardzo mała, zastosowano szereg technologii. Pierwszorzędne znaczenie mają cztery z nich: „szybujący” mechanizm ostrości, silniki liniowe XD, cztery czujniki pozycji ostrości i zoptymalizowane wyważenie dwóch grup soczewek ostrości.

Zalety mechanizmu ostrości z „szybującymi” soczewkami nie ograniczają się do poprawy parametrów optycznych. Podział soczewek ostrości na dwie grupy zmniejsza wagę każdej z nich, a to pomaga zagwarantować szybkość i dokładność napędu AF.

Z drugiej strony warunkiem osiągnięcia pełnej rozdzielczości przy F1.2 jest najwyższa precyzja ostrości. Nie da się jej zapewnić bez idealnej synchronizacji ruchów dwóch grup soczewek ostrości, w dalszym ciągu dość dużych i ciężkich. Taką synchronizację uzyskano dzięki firmowym silnikom liniowym Sony XD, wytwarzającym dużą siłę mimo małych wymiarów.

Głębia ostrości przy F1.2 nie pozostawia miejsca na najmniejszą niedokładność. Do precyzyjnego, ciągłego określania, gdzie znajdują się grupy soczewek ostrości, wykorzystano więc cztery czujniki pozycji.

Aby maksymalnie efektywnie i bezstratnie wykorzystać siłę wytwarzaną przez silniki liniowe XD oraz lepiej wyważyć dwie grupy ostrości, między grupami tymi umieszczono jeszcze jedną, nieruchomą grupę optyczną. Pozwoliło to dopasować punkt przyłożenia siły z silnika do środka ciężkości każdej z grup ostrości i zwiększyć sprawność przeniesienia napędu, a w rezultacie pomogło stworzyć szybki, dokładny i cichy napęd systemu AF. 

Kierownik zespołu sterowania napędem i obiektyw FE 50 mm F1.2

Kierownik zespołu sterowania napędem / Yuki Mizuno

Mizuno: Chciałbym jeszcze powiedzieć coś więcej o napędzie ostrości.
 
Przede wszystkim obiektyw jest wyposażony w system bezpośredniego napędu czterema silnikami liniowymi XD, po dwa na grupę soczewek ostrości.

Silniki te zaprojektowano z użyciem danych z opracowanego przez Sony symulatora konstrukcji silnika. Postęp w technologii takich symulatorów umożliwił projektowanie wydajnych silników, które mimo bardzo ograniczonych wymiarów zapewniają potrzebną moc i dużą niezawodność w trudnych warunkach pracy. Możliwość opracowania silników o specyfikacji i wymiarach dostosowanych specjalnie do tego obiektywu zaowocowała małymi wymiarami bez pogorszenia właściwości.

Do przemieszczania ciężkich grup soczewek służą zwykle siłowniki obrotowe, jednak krzywki i przekładnie zamieniające ruch obrotowy na posuwisty powodują nieuniknione straty mocy. Co więcej, wprowadzenie wielu elementów mechanicznych mogłoby wywołać wibracje i hałasy.

Takie rozwiązanie nie sprawdziłoby się więc w naszym zaawansowanym obiektywie F1.2. Postanowiliśmy zatem użyć małych, ale mocnych silników, które bezpośrednio, liniowo napędzałyby grupy ostrości. Wybraliśmy silniki liniowe XD — szybkie, ciche, o niskim poziomie wibracji.

Silniki liniowe nie mają jednak mechanizmu zmniejszania prędkości, zatem do uzyskania szybkości i dokładności systemu AF potrzebny jest błyskawicznie reagujący system sterowania.

Wspomniałem już o czterech czujnikach, które dokładnie określają pozycję grup ostrości i przekazują te dane do układu sterowania z bardzo szybkim sprzężeniem zwrotnym. W tym przypadku również stosowana jest własna technologia Sony do symulacji sterowania. Wykonaliśmy dokładne, wielokrotne symulacje różnych sposobów ruchu i zatrzymania soczewek, testy na rzeczywistym sprzęcie i analizy. Końcowe korekty zapewniły optymalny dla tego obiektywu, płynny ruch silnika, od rozpędzania po hamowanie.

Ta precyzja sterowania zmniejsza głośność i wibrację napędu tak dalece, że można mieć wątpliwości, czy soczewki w ogóle się poruszają. Silniki liniowe XD są sterowane programowo, by zapewnić maksymalną szybkość działania i reakcji systemu AF. Dzięki nim mogliśmy stworzyć niewielki obiektyw o wyjątkowych parametrach optycznych.

Obiektyw zrodzony z jasnej wizji aparatów przyszłości

Kikuchi: Chciałbym zwrócić uwagę na to, jak ten obiektyw F1.2 w pełni wykorzystuje funkcjonalność korpusu aparatu. Sony opracowuje wszystkie niezbędne podzespoły, włącznie z przetwornikiem obrazu, od poziomu sprzętu, zatem aparaty i obiektywy są projektowane przez nas samych, równolegle, jako pełny system. Tworząc wymienne obiektywy, staramy się przewidywać postęp techniczny w korpusach, by obiektywy w pełni wykorzystywały możliwości przyszłych korpusów.

Ten obiektyw jest oczywiście idealny do użytku z ogłoszonym w styczniu 2021 r. korpusem α1, umożliwiającym zdjęcia seryjne z szybkością 30 kl./s oraz nagrywanie filmów o wysokiej rozdzielczości, w 8K i 4K120p. Ale próbowaliśmy także przewidzieć przyszłe trendy w korpusach aparatów. Chcemy, żeby nasze projekty zapewniały maksimum możliwości nie tylko dziś, lecz i w przyszłości.

Niezawodność i łatwość użycia
Maksymalna wygoda użycia

Takata: Tworząc ten obiektyw, zadbaliśmy o maksymalną wygodę użycia w zastosowaniach profesjonalnych.
 
Przykładowo, dostosowywane przyciski blokady ostrości umieszczono i na górze, i z boku obiektywu, mimo niewielkich rozmiarów obudowy. W rezultacie obiektyw obsługuje się w taki sam sposób bez względu na to, czy zdjęcie ma układ poziomy, czy pionowy.

Mizuno: Obiektyw F1.2 został zaprojektowany także z myślą o ręcznym ustawianiu ostrości. Szczególną uwagę zwróciliśmy na umiejscowienie pierścienia regulacji ostrości, stawiany przez niego opór i wrażenia przy obracaniu. System Linear Response MF zapewnia bezpośrednie, liniowe reakcje na ruchy pierścienia regulacji ostrości, również te najmniejsze, umożliwia więc dokładne ustawianie ostrości. Przy F1.2 potrzebna jest bardzo duża dokładność ustawiania pozycji, ale nasz obiektyw spełnia tę potrzebę.

Wytrzymałość w zastosowaniach profesjonalnych

Kikuchi: Obiektyw został starannie uszczelniony przed brudem, pyłem i pryskającą wodą. Taka konstrukcja odporna na pył i wilgoć budzi zaufanie użytkowników.
 
Przednia soczewka pokryta jest fluorową powłoką, ułatwiającą usuwanie zabrudzeń, śladów po palcach itp.

Mizuno: Braliśmy też pod uwagę zmiany temperatury otoczenia. Właściwości podzespołów mechanicznych i elektrycznych, na przykład siła generowana przez silniki, zależą od temperatury i warunków pracy. Oprogramowanie obiektywu stale optymalizuje działanie poprzez wyznaczanie różnych parametrów roboczych, by zapewnić dokładność nawet w trudnych warunkach.

W rezultacie użytkownik ma prawo oczekiwać nienagannej pracy nawet podczas zdjęć w plenerze w ekstremalnych temperaturach.

Rezultat: obiektyw F1.2, jakiego dotąd nie było

Kikuchi: Jako projektant optyki mogę bez przesady stwierdzić, że ten obiektyw F1.2, z jego rozdzielczością i efektem bokeh, plasuje się na szczycie serii G Master. Z niecierpliwością czekam, aż klienci będą sami mogli docenić piękny bokeh i wysoką rozdzielczość.
 
Mimo przysłony F1.2 obiektyw ten świetnie zachowuje równowagę między małymi wymiarami a zaawansowanymi parametrami. Ma też pewne właściwości, które trudno jest przekazać w formie danych technicznych. Zachęcam twórców do wypróbowania go. W tym obiektywie wykorzystano cały wachlarz technologii Sony, więc ucieszę się, jeśli posłuży on do zdjęć różnorodnych scen.

Mizuno: To naprawdę uniwersalny obiektyw do wielu zastosowań, dobry dla zawodowców i pasjonatów. Takiego obiektywu F1.2 jeszcze nie było. Jest on świetny nie tylko do portretowania czy zdjęć ślubnych — wydajny system AF pozwala też uchwycić ulotne chwile i szybkie obiekty na imprezach sportowych itp.

Takata: Ten nieduży obiektyw F1.2 fantastycznie spisuje się przy filmowaniu, czy to z ręki, czy z gimbala. System AF z łatwością śledzi obiekty przy F1.2, gdy głębia ostrości jest mała. Cicha praca systemu AF i przysłony połączona z płynnymi, dokładnymi reakcjami pierścienia ręcznej regulacji ostrości przypadną do gustu filmowcom. Mam nadzieję, że użytkownicy wykorzystają w filmach nowe możliwości ekspresji wizualnej.

Dając nowe możliwości wykonywania zdjęć, obiektyw ten reprezentuje wartość i potencjał serii G Master.