En designidé blir till verklighet

Intervju med utvecklingsteamet bakom FE 50 mm f1,2 G Master

Huvudansvarig för optisk design håller i en XA-lins och ger en förklaring
Passion för optisk design
Huvudansvarig för mekanisk design håller i linjära XD-motorer och ger en förklaring
Autofokus och mekanik
Bild på vertikalt hållen kamera med objektivet FE 50 mm f1,2 GM
Tillförlitlig och användarvänlig
Utvecklingskonceptet

Skapa ett riktigt lätthanterligt f1,2-objektiv

Produktchef och huvudansvarig för optisk design/Atsuo Kikuchi

Huvudansvarig för optisk design håller i FE 50 mm f1,2-objektivet och ger en förklaring

– Kan du nämna några av målsättningarna med det första f1,2-objektivet från Sony? 

Kikuchi: Vi har många fasta objektiv med stor bländare på marknaden, men visste att våra kunder runt om i världen ville ha ett snabbare objektiv med stor bländare. Efterfrågan var som störst på ett 50 mm f1,2 G Master-standardobjektiv.
 
I utvecklingen av ett objektiv med den stora f1,2-bländaren visste vi att vi behövde bibehålla G Master-seriens höga nivå av upplösning och bokeh, och samtidigt se till att objektivet var riktigt enkelt att använda. Om vi bara hade prioriterat bländarens storlek och objektivet blev för stort och tungt skulle vi förlora den kompakthet och låga vikt som kombinationen mellan objektiv och kamerahus medför, vilket är en av de viktigaste fördelarna med systemet med E-fattning. Ett objektiv som inte kan få ut maximala prestanda av de främsta AF-systemen på kamerahus, eller inte kan använda autofokus alls, skulle inte kunna uppfylla kundernas behov, oavsett hur suverän optiken än är.

För att kunna skapa det snabbaste f-objektivet med AF i Alpha-kamerans historia, utan att kompromissa med AF-prestanda och med bibehållen enkel hantering och bärbarhet, behövde vi använda den mest avancerade tekniken från Sony någonsin. Förutom dess suveräna optiska prestanda tror jag kunderna kommer att överraskas av den lätta, snabba och tysta AF-hanteringen på objektivet med den stora f1,2-bländaren.

Med tillägget av det här f1,2-objektivet i Alpha-sortimentet öppnas en mängd nya fotograferingsmöjligheter upp. Det är ett objektiv som kan användas av både proffs och amatörer för allt från fotografering av porträtt, bröllop och landskap till ögonblicksbilder.

I Alpha-sortimentet ingår redan Planar T* FE 50 mm f1,4 ZA-objektivet. Skillnaden mellan det objektivets och FE 50 mm f1,2 GM-objektivets bländare på f1,4 och f1,2 kan låta liten, men det är faktiskt ett halvt bländarsteg. F1,2-objektivets extra ljusupptag kräver en effektiv bländardiameter som är ca 17 % större, eller ett nästan 40 % större bländarområde. Därför innebar det stora utmaningar inom design och tillverkning att skapa ett kompakt f1,2-objektiv.
 
Lösningen av de problemen bjöd på många nya utmaningar.

En av dem var att hålla nere storleken på det främre objektivelementet, trots att det är ett f1,2-objektiv, genom att med en unik teknik för Sony använda flera XA-linser (extreme aspherical). Det gjorde att vi inte behövde öka storleken på den främre linsen och att vi kunde uppnå genomgående kompensation av aberration som uppstår i objektiv med större diameter.

För att helt motverka aberration användes ett flytande fokussystem med egen drivning. I fokussystemet används två fokusgrupper för att ge optimal kompensering av aberrationer genom hela fokuseringsområdet, även vid minsta närgräns.

I fokussystemet används den linjära XD-motorn (extreme dynamic) som utvecklats av Sony och som bjuder på en kombination av dragkraft och ljudlöshet. Fyra sådana kompakta motorer med direktdrivning och exakt kontroll gör att fokusgrupperna kan innehålla flera element, vilket ger överlägsen aberrationskompensation.

Resultatet är ett objektiv med en upplösning på G Master-nivå som får ut bästa möjliga hastighet, precision och spårning av kamerans autofokus och som ihop med kamerahuset bara är 108 mm långt och 778 g tungt – samma som det nuvarande Planar-objektivet. Vi är stolta över att ha producerat ett unikt f1,2-objektiv som vi hoppas ska ge stor glädje åt såväl yrkesverksamma som amatörer.

Passion för optisk design
Hisnande upplösning hela vägen till f1,2

Kikuchi: För att uppnå höga optiska prestanda och samtidigt bevara f1,2-objektivets lilla formfaktor används XA-linser från Sony samt simuleringsteknik för upplösning, bokeh och kromatisk aberration.
 
När det gäller att öka optiska prestanda handlar det framför allt om hur du minskar aberrationer.

Historiskt har 50 mm-objektiv vanligtvis haft Gauss-utformning. I Gauss-utformningen är grupper av objektivelement symmetriskt fördelade på vardera sidan av en central bländare, vilket får aberrationerna från bländarens olika sidor att ta ut varandra. Det passar speciellt bra för 50 mm bildvinkel och användes därför tidigare i de flesta 50 mm-objektiven.

Den här symmetriska strukturen kompenserar emellertid bara för fältaberrationers distorsion och krökning, och ger till exempel ingen effektiv korrigering av sfärisk aberration eller reflexer i sagittalplanet. Det hade kort sagt inte räckt för att vi skulle kunna uppnå den höga nivå av aberrationskompensation vi var ute efter.

Som alla erfarna fotografer vet går det inte att uppnå hög upplösning genom hela bilden utan tillräcklig kompensation av aberration. Punktformiga ljuskällor, som stjärnor, ska helst visas som punkter var de än visas på bilden, men otillräckligt kompenserade aberrationer kan få dem att visas fladdrigt eller ge färgblödning. Användaren kan åtgärda det genom att minska bländaren, men det motverkar ju hela poängen med ett objektiv med stor bländare.

Vår målsättning med det här objektivet var att uppnå optiska prestanda på en nivå som gör att du otvunget kan fotografera med högsta bländaröppning. För att uppnå det bryter vår optiska utformning delvis den symmetriska designen, och kompenserar för aberrationer som är svåra att motverka med en symmetrisk linsutformning.

Objektiv med symmetrisk design brukar ha stora främre element och kan bestå av många element för att korrigera för sfärisk aberration och reflexer i sagittalplanet.

I vår nya optiska utformning har vi endast använt tre XA-linser (extreme aspherical), undvikit att öka diametern på det främre elementet och hållit antalet objektivelement till ett minimum, vilket skapar den kompakta totala storleken. 

Bild av objektivkonfigurationen
Objektivkonfigurationstabell

[1] XA-lins (Extreme Aspherical) 

Som ordet ”asfärisk” antyder är böjningen av XA-linsens yta inte konstant utan förändras från mitten och ut emot kanterna. Formerna på de tre XA-objektivelement som används i det här objektivet har optimerats individuellt i flera steg med hjälp av simuleringsteknik för optik som Sony tagit fram.
 
Som ni kanske vet har ytprecisionen på de XA-linser som används i G Master-serien justerats ned på under en mikrometer. Den stora bländaren på f1,2 och objektivets stora yttre elementdiameter ställde krav på betydligt högre precision i varje steg av tillverkningen av de tre XA-linser som användes om vi skulle uppnå den högre ytprecision som krävdes. Det är den svåraste tillverkningsutmaning jag ställts inför. Men genom att integrera design- och tillverkningsprocesserna förbättrades alla delar, och i och med att vi tog oss an de nya teknikutmaningarna direkt kunde vi uppnå både en stor diameter och hög precision.

Det är framför allt den andra XA-linsen framifrån i objektivkonfigurationstabellen ovan som bidrar mycket till att minska antalet objektivelement som krävs i den främre delen, samt till att minska dess storlek och vikt. Hela den optiska designen av det kompakta f1,2-objektivet bygger på att vi kunde ha en asfärisk lins med stor diameter på den platsen och med den tillverkningsprecision som bara Sony kan uppnå.

Vår egenutvecklade simuleringsteknik för kromatisk aberration användes till att optimera kombinationen av glasmaterial, rejält minska kromatisk aberration och färgblödning samt uppnå de högsta nivåerna av upplösning och kontrast som kännetecknar G Master, trots den stora bländaren.

När optikingenjörer tittar på en objektivkonfigurationstabell kan det hända att de tänker att ”det här elementet bidrar inte till att korrigera aberrationer” (skratt). Som ingenjör är mitt mål att uppnå den effektivaste aberrationskorrigeringen med så få objektivelement som möjligt – med andra ord att hitta lösningar som ger ett kompakt objektiv utan att kompromissa med optikens prestanda. Som du kan se i konfigurationstabellen för FE 50 mm f1,2 GM här ovanför, är konstruktionen fri från onödigheter och kompromisser, och att böjningen på alla objektivelement har tänkts igenom noggrant för hur de bidrar till att motverka aberrationer. Jag hoppas att användarna ska få uppleva och njuta av kombinationen av liten formfaktor och optiska prestanda tack vare det ultimata inom optisk design.

Våra unika XA-linser (extreme aspherical)
Huvudansvarig för optisk design håller i en XA-lins och ger en förklaring
Bild av en MTF-tabell
MTF-tabell

[1] Kontrast (%) [2] Avstånd från linsens optiska centrum (mm) [3] Maximal bländare [4] F8-bländare [5]Rumslig frekvens [6] 10 linjepar/mm [7] 30 linjepar/mm [8] Radiella värden [9]Tangentiella värden

F1,2 G Master ger underbart mjuk och fyllig bokeh

Kikuchi: F1,2-objektiv är kända för sin fylliga bokeh, men det här objektivet handlar inte bara om fylligheten, utan om att leverera den ideala, mjuka och krämiga bokeh som kännetecknar G Master. Särskilt för porträtt spelar bokeh en extremt viktig roll för att framhäva motivet. Bokeh är en sensuell kvalitet. Det gör det mycket svårt att skapa, men vi visste att vi behövde få till det om vi skulle uppfylla kundernas förväntningar på ett f1,2 G Master-objektiv.
 
Redan från ett tidigt skede i designarbetet har vi utfört upprepade bokeh-simuleringar och justeringar för att hitta den ideala nivån av sfärisk aberration och kunna optimera bokeh och upplösning samtidigt utan att kompromissa med någon av dem.

I tillverkningen justerades avståndet mellan elementen dessutom lins för lins för ingående kontroll över sfärisk aberration, och för att uppnå den svåra balansen mellan bokeh i förgrunden och bakgrunden, vilket ger en neutral total effekt.

Jag nämnde tidigare upplösningen apropå tillverkningen av XA-linser, men hanteringen av ytprecision på under en mikrometer motverkar också ränder och ringar i sfärisk bokeh.

XA-linser: ytprecision ned till 0,01 µm

[1-1] Konventionell asfärisk linsyta [1-2] Oönskad bokeh [2-1] XA-linsyta (extreme aspherical) [2-2] Vacker bokeh

En bild som jämför ojämnheter på linsytan för vanliga linser och XA-linser, och som visar de olika resultaten i "ringformad" bokeh-effekt
Huvudansvarig för mekanisk design håller i FE 50 mm f1,2-objektivet och berättar

Huvudansvarig för mekanisk design/Yuichiro Takata

Takata: Mjuk och vacker bokeh uppnås också tack vare den 11-bladiga cirkelformade bländaren. Bländaren utformades nyligen till att bibehålla nästan en cirkulär form även när den är två steg från helt öppen.
 
Eftersom f1,2 är en stor bländare måste bländarbladen också vara stora i en traditionell design. Och när bländaren är öppen måste de stora bladen föras till ett utrymme utanför den optiska banan och bortom den effektiva diametern, vilket ökar själva objektivets yttre diameter. För att hålla nere bländarens storlek var vi tvungna att designa om allt från grunden. Det gällde allt från formen på bladen till drivningsmekanismens komponenter som vi gick igenom var och en för sig.

Bländaren är extremt viktig för att bestämma bländarvärde och exponeringstid. När storleken minskas på komponenterna krävs det högre precision vid tillverkningen och monteringen av dem. Genom att noggrant utvärdera tillverknings- och monteringsprocessena på nytt lyckades vi få ned komponenternas storlek och uppnå den precision som krävs.

Huvudansvarig för mekanisk design håller i bländarenheter och berättar
Bländare
Bild framifrån av FE 50 mm f1,2 medan bländaren minskas några steg
Cirkelformen bibehålls också när den bländas ned 2 steg
Linjära drivningsmotorer: nyckeln till liten formfaktor

Takata: Det var avgörande att mekanik- och programvaruteamen hade ett nära samarbete för att vi skulle uppnå höga optiska prestanda för autofokusen.

Som jag förklarade tidigare krävdes det två fokusgrupper bestående av flera element för att bibehålla höga prestanda genom hela fokuseringsområdet. Och f1,2-objektivets stora diameter ökade oundvikligen fokusgruppernas vikt. Fokusgruppernas ökade vikt skapar stora utmaningar när det gäller fokuseringshastighet och ljud och vibrationer från motorn.

Frågan var hur vi skulle bibehålla en perfekt nivå av upplösning och bokeh utan att kompromissa med autofokusens hastighet. Lösningen för det här objektivet var att använda direktdrivna linjära XD-motorer som utvecklats av Sony.

Autofokus och mekanik
Snabb och mycket exakt autofokus – till och med vid f1,2

Takata: Den största utmaningen med att uppnå autofokus med höga prestanda på f1,2-objektivet var att uppnå den extremt höga skärpeprecision som krävs vid kort skärpedjup.

Inte ens med en maximal bländare på f1,2 kan man säga att ett objektiv är lätthanterligt om det inte har proportionerliga nivåer av autofokusprecision och spårningsprestanda. Men det är riktigt tekniskt svårt att uppnå det. Det här objektivet inlemmar en mängd olika typer av teknik för att uppnå hög hastighet och mycket exakt autofokus också vid det extremt korta skärpedjupet vid f1,2. Framför allt bidrar fyra egenskaper: den flytande fokusstrukturen, de linjära XD-motorerna, de fyra sensorerna för fokusläge och den optimerade balansen mellan de två fokusgruppernas tyngdpunkter.

Den flytande fokusstrukturen ger inte bara högre optiska prestanda. Genom att fokusgruppen delas upp i två minskar dessutom vikten för vardera gruppen, vilket bidrar till snabb och exakt autofokus.

Samtidigt är total precision för skärpan avgörande för fullständiga upplösningsprestanda vid f1,2. För det krävs det att rörelserna för de två fokusgrupperna, som fortfarande är relativt stora och tunga, är exakt synkroniserade. Det åstadkoms med de små men kraftfulla linjära XD-motorer som Sony utvecklat.

Det finns absolut inget utrymme för felmarginaler med det korta skärpedjupet för f1,2. Därför används fyra lägessensorer till att spåra fokusgrupperna så att deras exakta position alltid är känd.

Slutligen inkorporeras en fast optikgrupp mellan de två fokusgrupperna för att utnyttja de linjära XD-motorernas kraft på effektivaste sätt och utan strömförlust, och göra det enklare att balansera de två fokusgruppernas tyngdpunkter. Det gör att motorernas dragpunkt riktas in mot tyngdpunkten för vardera fokusgruppen, vilket maximerar effektiviteten för strömöverföring och motverkar kraftförlust, samt bidrar till mycket snabb, precis och tystgående autofokus. 

Huvudansvarig för motorstyrning och FE 50 mm f1,2

Huvudansvarig för motorstyrning/Yuki Mizuno

Mizuno: Låt mig ge lite mer information om fokussystemet.
 
Först och främst har objektivet totalt fyra direktdrivna linjära XD-motorer, med två motorer tilldelade var och en av de två fokusgrupperna.

Motorerna har utformats utifrån data från våra egna motorsimuleringar. Tack vare framsteg inom tekniken för motorsimulering går det att utveckla mycket effektiva motorer som producerar tillräckligt med kraft trots svåra storleksbegränsningar och som ger hög tillförlitlighet för en mängd olika tuffa miljöer. Förmågan att utforma motorer med de specifikationer och den storlek som är optimalt anpassade för objektivet möjliggjorde den kompakta utformningen utan prestandakompromisser.

Vanligen används motorer av roterande typ för tunga fokusgrupper, men de komponenter som omvandlar roterande till linjär rörelse medför oundvikligen kraftförluster. När många mekaniska delar ingår kan det leda till ljud och vibrationer.

Det skulle inte duga för de högpresterande f1,2-objektiv som vi var ute efter, så vi bestämde oss för att använda små men kraftfulla motorer som kan driva fokusgrupperna direkt och linjärt, och använde linjära XD-motorer med hög hastighet, tystgående drift och få vibrationer.

Eftersom linjära motorer inte har en hastighetsreducerande mekanism krävs det emellertid extremt responsiva kontroller för att uppnå snabb och exakt autofokus.

Det gäller särskilt de fyra sensorer jag nämnde tidigare. De avläser fokusgruppernas läge exakt och skickar dessa lägesdata till kontrollsystemet i en ultrasnabb feedbackcykel som förbättrar svarstiderna. Här används också den teknik för kontrollsimulering som tagits fram av Sony. Många mönster av objektivrörelser och -stopp genomgick upprepade noggranna simuleringar, testades på fysisk maskinvara och analyserades. Slutligen gjordes finjusteringar för att uppnå en genomgående jämn motorrörelse anpassad för objektivet, från acceleration till stopp.

Dessa finjusteringar minskar motorljud och vibrationer så pass mycket att man kan fråga sig om objektivet verkligen rör på sig. De linjära XD-motorerna är programvarustyrda vilket ger maximalt snabb och responsiv autofokus och det gjorde att vi kunde skapa ett kompakt objektiv med suveräna optiska prestanda.

Ett objektiv sprunget ur den tydliga visionen av framtidens kamera hos Sony

Kikuchi: Jag vill också nämna hur det här f1,2-objektivet verkligen drar nytta av kamerahusets funktioner. Sony utvecklar alla de grundläggande komponenterna från enhetsnivå, inbegripet bildsensorn, vilket innebär att kamerorna och objektiven utvecklas samtidigt, som ett komplett system. När vi utvecklar utbytbara objektiv förutser vi också kommande framsteg vad gäller kamerahus så att objektiven kan få ut maximala prestanda från framtida kamerahus.

Det här objektivet är förstås perfekt att använda med nya α1, som presenterades i januari 2021, med kontinuerlig bildtagning av 30 bilder/s och filminspelning i 8K och 4K 120p med hög upplösning. Men vi försökte också att förutse framtida trender vad gäller kamerahus. Vårt mål är att skapa design som ger högsta möjliga prestanda, inte bara nu utan även i framtiden.

Tillförlitlig och användarvänlig
Hantering utan kompromisser

Takata: Objektivet har utvecklats utan några kompromisser när det gäller hanteringen, så att det kan användas professionellt.
 
Trots dess kompakta utformning finns det till exempel anpassningsbara fokuslås både ovanpå och på sidan av objektivet. Det gör att hanteringen är densamma oavsett om du fotograferar i stående eller liggande läge.

Mizuno: Vi har också utformat f1,2 med manuell fokusinställning i åtanke, och har lagt speciell uppmärksamhet på fokusringens placering och på dess vridmoment och -känsla. Objektivet är utrustat med Linear Response MF som svarar direkt och linjärt på vridningar på fokusringen. Det ger exakt fokusjustering som till och med svarar på mycket små vridningar av fokusringen. Kravet på lägesmässig precision är hårt vid f1,2, men vi utvecklade objektivet att uppfylla det.

Tålig nog för professionell användning

Kikuchi: Objektivet är ordentligt tätat mot smuts, damm och vattenstänk, och den damm- och fukttåliga designen ger tillförlitlig användning.
 
Den främre linsen har en smutsavvisande fluorbeläggning som är enkel att torka av för att få bort smuts och fingeravtryck.

Mizuno: Vi tog även hänsyn till miljömässiga temperaturvariationer. De mekaniska och elektriska komponenternas egenskaper, som motorernas dragkraft, varierar beroende på miljö och temperatur. Objektivet innehåller programvara som hela tiden optimerar prestanda genom att på egen hand beräkna ett flertal kontrollparametrar för att bibehålla precisionen även under svåra förhållanden.

Därför kan användaren garanteras höga prestanda även vid fotografering i tuffa förhållanden, till exempel i extremt kalla eller varma miljöer.

Äntligen: ett helt unikt f1,2-objektiv

Kikuchi: Som optikdesigner menar jag att det här objektivet är kronan på G Master-serien, med det senaste inom upplösning och bokeh. Jag längtar efter att våra kunder ska få uppleva det här f1,2-objektivets underbara bokeh och höga upplösning på egen hand.
 
Trots att det är ett f1,2-objektiv uppnår det en suverän balans mellan storlek och höga prestanda, samt mellan vissa aspekter som det är svårt att förmedla genom att bara nämna specifikationer. Jag uppmuntrar alla skapare att testa det själva. Objektivet innehåller hela utbudet av teknik från Sony. Liksom de som designade objektivet hoppas jag få se folk ta alla möjliga typer av bilder med det.

Mizuno: Det är ett riktigt flexibelt objektiv med många möjliga användningsområden som kan användas av både proffs och amatörer. Det har aldrig funnits ett f1,2-objektiv som det här tidigare. Det är inte bara utmärkt för porträtt- och bröllopsbilder. Dess autofokus med höga prestanda gör det också suveränt för att fånga ögonblick och spåra snabba rörelser i sportevenemang och liknande.

Takata: Det här kompakta f1,2-objektivet har också suveräna prestanda för filminspelning. AF-kapaciteten gör det lätt att spåra motiv också vid kort skärpedjup vid f1,2 både med handhållen kamera och kardanupphängning. Den tystgående driften av autofokus och bländare, i kombination med en jämn, exakt och responsiv manuell skärpering gör objektivet även mycket intressant för videoskapare. Jag hoppas att människor kommer att roa sig med nya former av visuellt uttryck i film.

Genom att erbjuda nya sätt att spela in på representerar objektivet G Master-seriens värde och potential.