開發(fā)理念——設(shè)計(jì)真正易用的F1.2鏡頭

產(chǎn)品兼光學(xué)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人：菊地敦雄（Atsuo Kikuchi）

 Q：在開發(fā)索尼第一支F1.2鏡頭時(shí)，你們?cè)O(shè)定了哪些目標(biāo)？

菊地：索尼已經(jīng)發(fā)布了很多支大光圈定焦鏡頭，但我們知道全世界的用戶都希望有一支更高速更明亮的大光圈鏡頭，而需求最大的就是50mm“標(biāo)準(zhǔn)”(焦距)F1.2大光圈 G大師鏡頭。  　　

在開發(fā)F1.2大光圈鏡頭時(shí)，我們?cè)诒３?/span>G大師鏡頭系列標(biāo)志性的高分辨率和散景的同時(shí)，還要考慮鏡頭的易用性。如果僅考慮光圈的大小，而鏡頭最終變得又大又重，將會(huì)失去鏡頭與機(jī)身組合后的緊湊和輕巧性，也就意味著放棄E卡口系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)。而且無(wú)論鏡頭的光學(xué)性能多么出色，如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)出色的自動(dòng)對(duì)焦，或者根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦，相信很多用戶并不會(huì)滿意。 　　

為了設(shè)計(jì)出Alpha歷史上最大光圈的自動(dòng)對(duì)焦鏡頭，又要在不妥協(xié)自動(dòng)對(duì)焦性能的同時(shí)保持專業(yè)操控和便攜性，我們采用了索尼最先進(jìn)的技術(shù)。除了出色的光學(xué)性能外，我相信用戶還會(huì)對(duì)大口徑F1.2鏡頭緊湊輕巧的設(shè)計(jì)，以及安靜、快速和精準(zhǔn)的自動(dòng)對(duì)焦性能感到滿意。 　　

我認(rèn)為在Alpha系列產(chǎn)品中增加F1.2鏡頭后，用戶的創(chuàng)作可能性將進(jìn)一步提高。它是專業(yè)攝影師和攝影愛好者在各種拍攝題材都可以使用的鏡頭，例如人像、婚禮、風(fēng)光和街拍。 Alpha系列產(chǎn)品已經(jīng)包括Planar T * FE 50mm F1.4 ZA鏡頭，與新的FE 50mm F1.2 GM鏡頭相比，盡管F1.4和F1.2的最大光圈之間的差別聽起來(lái)很小，但實(shí)際上是半檔光圈差距， F1.2鏡頭額外聚光需要有效光圈（直徑）約大17％，或孔徑面積大近40％，這是在設(shè)計(jì)小型化F1.2大光圈鏡頭時(shí)，存在的主要設(shè)計(jì)和制造障礙。  　　

克服這個(gè)問題涉及許多新的挑戰(zhàn)。其中之一是通過采用多個(gè)XA（超級(jí)非球面）鏡片-索尼獨(dú)有的技術(shù)，既減小前鏡片的尺寸，也讓鏡頭實(shí)現(xiàn)了F1.2大光圈，并且有效補(bǔ)償了大直徑鏡片中出現(xiàn)的像差。 　　

為了有效抑制像差，鏡頭采用了包括兩個(gè)對(duì)焦鏡組的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的浮動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，以便在整個(gè)對(duì)焦范圍內(nèi)（包括最近對(duì)焦距離）對(duì)像差進(jìn)行有效補(bǔ)償。

對(duì)焦驅(qū)動(dòng)采用了索尼獨(dú)有的XD線性馬達(dá)，具備高驅(qū)動(dòng)力和安靜的特點(diǎn)。四個(gè)緊湊型直驅(qū)動(dòng)線性馬達(dá)具有精準(zhǔn)控制功能，因此多個(gè)對(duì)焦鏡組設(shè)計(jì)可以有效的補(bǔ)償像差。 　　

最終，實(shí)現(xiàn)了鏡頭長(zhǎng)度僅為108mm，重量?jī)H為778克的緊湊和輕量化設(shè)計(jì)，具備G大師鏡頭標(biāo)志性的分辨率，并且可以結(jié)合索尼微單?實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)和安靜的自動(dòng)對(duì)焦和跟蹤性能。我們?yōu)樵O(shè)計(jì)出如此出色的F1.2鏡頭而感到自豪，希望幫助專業(yè)攝影師和攝影發(fā)燒友拍攝出更加出色的作品。 

不妥協(xié)的光學(xué)設(shè)計(jì)

F1.2光圈下的高分辨率

菊地：為了在F1.2規(guī)格鏡頭中保持較小外形尺寸，同時(shí)又要實(shí)現(xiàn)高光學(xué)性能，FE 50mm F1.2 GM采用了索尼獨(dú)有的XA鏡片，并采用了分辨率、散景和色差模擬技術(shù)。 　　

本質(zhì)上，提高光學(xué)性能與減少像差有關(guān)。 　　

從歷史上看，50mm鏡頭通常采用高斯結(jié)構(gòu)。高斯結(jié)構(gòu)具有成組的鏡片，它們?cè)谥醒牍馊Φ膬蓚?cè)對(duì)稱分布，可使光圈兩側(cè)的像差彼此抵消。高斯結(jié)構(gòu)特別適合50mm視角，因此過去大多數(shù)50mm鏡頭都采用了這種結(jié)構(gòu)。 　　

然而，這種對(duì)稱結(jié)構(gòu)本身僅補(bǔ)償了像場(chǎng)的畸變和曲率，并沒有有效地補(bǔ)償球面像差或矢狀耀斑。簡(jiǎn)而言之，這種光學(xué)設(shè)計(jì)不會(huì)讓我們獲得想要的高像差補(bǔ)償性能。 　　

如經(jīng)驗(yàn)豐富的相機(jī)用戶所知，如果沒有足夠的像差補(bǔ)償，就不可能在整個(gè)影像范圍實(shí)現(xiàn)高分辨率。理想情況下，應(yīng)該將點(diǎn)光源（如天空中的星星）聚焦到影像中為一個(gè)點(diǎn)，但是補(bǔ)償不足的像差，可能會(huì)使它們看起來(lái)像飛翔的鳥兒或是顏色擴(kuò)散的光斑。為了解決這個(gè)問題，用戶可以將光圈減小，但這會(huì)讓大光圈鏡頭無(wú)法發(fā)揮自身最大優(yōu)勢(shì)。 　　

我們希望這款鏡頭的光學(xué)性能，可以滿足用戶在最大光圈下拍攝的苛刻需求。為此，我們?cè)诠鈱W(xué)結(jié)構(gòu)部分打破了對(duì)稱設(shè)計(jì)，并有效抑制了對(duì)稱鏡頭設(shè)計(jì)難以控制的像差。 　　

為了校正球面像差和矢狀耀斑，通常對(duì)稱結(jié)構(gòu)的鏡頭傾向于采用較大的前鏡片，并且由許多鏡片組合而成。我們的新光學(xué)設(shè)計(jì)僅使用三個(gè)XA（超級(jí)非球面）鏡片，避免了擴(kuò)大前鏡片的直徑，并將鏡片的數(shù)量減少，從而實(shí)現(xiàn)了整體緊湊的尺寸。

鏡頭結(jié)構(gòu)圖

 顧名思義，XA鏡片的“非球面”鏡片表面曲率不是恒定的，而是從中心到邊緣會(huì)有所變化。該鏡頭中使用的三枚XA鏡片均使用索尼獨(dú)有的光學(xué)模擬技術(shù)，經(jīng)過多次迭代對(duì)鏡片的形狀進(jìn)行了優(yōu)化。

G大師鏡頭系列中使用的XA鏡頭表面精度已低至亞微米級(jí)別。該鏡頭的F1.2大光圈和較大的外部直徑鏡片，要求所采用的三個(gè)XA鏡片制造過程中，每個(gè)步驟的精度上都要有實(shí)質(zhì)性的提高，以實(shí)現(xiàn)所需的更高表面精度，這是我們有史以來(lái)面臨的最高級(jí)別的制造挑戰(zhàn)。但是經(jīng)過整合設(shè)計(jì)，以及改善了每個(gè)步驟的制造流程，直面新技術(shù)挑戰(zhàn)幫助我們實(shí)現(xiàn)了大直徑和高精度的XA鏡片。

我們來(lái)看一下鏡頭結(jié)構(gòu)圖（上圖），前排第二枚XA鏡片在很大程度上有助于減少前組所需的鏡片數(shù)量，并且還有助于減小其尺寸和重量。在這個(gè)位置上使用大直徑非球面鏡片，制造精度目前只有我們才能實(shí)現(xiàn)，這個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)支撐了緊湊型F1.2鏡頭的整個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)。 　　

索尼獨(dú)有的色差模擬技術(shù)用于優(yōu)化玻璃材料的組合，有效地降低了色差和色散，盡管面對(duì)大光圈挑戰(zhàn)，但仍達(dá)到了高水平的分辨率和對(duì)比度，與G大師鏡頭系列品質(zhì)保持一致。 　　

當(dāng)光學(xué)工程師查看鏡頭結(jié)構(gòu)圖時(shí)，他們有時(shí)會(huì)認(rèn)為“此設(shè)計(jì)對(duì)校正像差沒有太大作用”。（笑）作為一名工程師，我的目標(biāo)是用最少的鏡片實(shí)現(xiàn)最有效的像差校正。換句話說，就是尋求能夠在保持光學(xué)性能的同時(shí)，提供整體鏡頭的緊湊性解決方案。從上面的FE 50 mm F1.2 GM的結(jié)構(gòu)圖中可以看出，該設(shè)計(jì)沒有浪費(fèi)或妥協(xié)，所有鏡片的曲率都因其對(duì)像差的影響而被反復(fù)地考慮。我希望用戶能夠體驗(yàn)并享受最終光學(xué)設(shè)計(jì)所帶來(lái)的緊湊性和光學(xué)性能的結(jié)合。

F1.2鏡頭帶來(lái)平滑和豐富的散景

菊地：F1.2鏡頭以其豐富和柔美的散景而著稱，這種鏡頭不僅具有豐富的散景，還具有光滑如奶油般化開的柔美散景特征，達(dá)成G大師鏡頭的標(biāo)志性背景虛化效果。尤其對(duì)于人像攝影，柔美的散景可使拍攝對(duì)象自然的脫穎而出，這對(duì)拍攝出唯美的背景虛化效果照片非常重要。散景是非常重要的事情，它使鏡頭設(shè)計(jì)變得困難，但是我們需要完善它，以滿足用戶對(duì)F1.2 大光圈G大師鏡頭的期望。  　　

從設(shè)計(jì)的最初階段開始，我們進(jìn)行了反復(fù)的散景模擬和調(diào)整，以辨別理想的球差水平，這使我們能夠在不影響兩者的前提下一起優(yōu)化散景和分辨率。 　　

此外，在制造過程中還要逐個(gè)調(diào)整鏡片的間距以精確控制球差——掌握前景和背景散景之間的復(fù)雜平衡，以實(shí)現(xiàn)唯美的整體效果。

 XA鏡片不僅可以滿足高分辨率，將表面精度控制到亞微米水平，也可以抑制球形散景中的條紋和“洋蔥圈”效應(yīng)。

[1-1]傳統(tǒng)的非球面鏡片表面[1-2]不良的散景效果[2-1] XA（高級(jí)非球面）鏡片表面[2-2]柔美的散景效果

機(jī)械設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人：高田悠一郎（Yuichiro Takata）

 高田：11枚圓形光圈葉片的也使柔和美麗的散景成為可能。鏡頭采用新開發(fā)光圈單元，即使是收縮兩檔也可以保持幾乎圓形的形狀。

由于F1.2是大光圈，因此在常規(guī)設(shè)計(jì)中，光圈葉片自然也會(huì)很大。并且當(dāng)光圈打開時(shí)，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(huì)增大鏡片本身的外徑。為了減小光圈單元的尺寸，我們不得不從新設(shè)計(jì)一切，包括從葉片的形狀到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組件。

光圈單元對(duì)于確定光圈值和曝光非常重要?？s小組件的尺寸，意味著在每個(gè)組件的加工以及裝配精度方面都需要更高的精度。通過檢查機(jī)械加工和裝配過程，實(shí)現(xiàn)了小型化和高精度并存。

光圈單元

即使收縮兩檔也能保持圓形光圈

 線性直驅(qū)馬達(dá)：小型化的關(guān)鍵

高田：為了實(shí)現(xiàn)高光學(xué)性能與自動(dòng)對(duì)焦，需要機(jī)械和軟件控制團(tuán)隊(duì)密切合作。

正如我前面所解釋的，在整個(gè)焦對(duì)焦圍內(nèi)保持高性能，需要由多個(gè)元件組成的兩個(gè)對(duì)焦組。而F1.2鏡頭的大直徑必然增加了對(duì)焦鏡組的重量。增加對(duì)焦鏡組重量會(huì)影像對(duì)焦速度，以及對(duì)焦馬達(dá)運(yùn)行時(shí)噪音和振動(dòng)的增加。

問題是如何在不犧牲自動(dòng)對(duì)焦速度的情況下，保持出色的分辨率和散景水平。而解決方案就是采用索尼自主的直驅(qū)XD線性馬達(dá)進(jìn)行對(duì)焦。

自動(dòng)對(duì)焦和機(jī)械設(shè)計(jì)

F1.2光圈實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的自動(dòng)對(duì)焦

高田：在F1.2鏡頭上實(shí)現(xiàn)高性能自動(dòng)對(duì)焦，最大挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)淺景深所需的高對(duì)焦精度。

即使最大光圈為F1.2，也不能說它是一顆“好用”的鏡頭，除非它提供了優(yōu)秀的自動(dòng)對(duì)焦精度與跟蹤對(duì)焦性能，但這在技術(shù)上確實(shí)很難實(shí)現(xiàn)。該鏡頭結(jié)合了多種新技術(shù)，即使在F1.2的極淺景深下也能實(shí)現(xiàn)快速和高精度的自動(dòng)對(duì)焦。其中四個(gè)部分貢獻(xiàn)最大：浮動(dòng)對(duì)焦結(jié)構(gòu)；XD線性馬達(dá)；四個(gè)對(duì)焦位置傳感器；以及兩個(gè)對(duì)焦鏡組重心的平衡優(yōu)化。 　　

浮動(dòng)對(duì)焦結(jié)構(gòu)不僅提高了光學(xué)性能，將對(duì)焦鏡組分為兩部分還可以減輕每組的重量，從而有助于實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的自動(dòng)對(duì)焦。 　　

另一方面，精準(zhǔn)的對(duì)精度對(duì)于實(shí)現(xiàn)F1.2全開的分辨率性能至關(guān)重要。通過索尼獨(dú)有的XD線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)對(duì)較大和較重的兩個(gè)對(duì)焦鏡組精確地同步運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的對(duì)焦。雖然XD線性馬達(dá)體積小，但驅(qū)動(dòng)力卻很高。 　　

F1.2的淺景深在拍攝時(shí)沒有誤差的余地，因此使用四個(gè)位置傳感器跟蹤對(duì)焦鏡組，以確保始終準(zhǔn)確知道其精確位置。 　　

最后，為了有效地利用XD線性馬達(dá)的推力且不損耗，并使兩個(gè)對(duì)焦鏡組的重心更容易平衡，在兩個(gè)對(duì)焦鏡組之間插入了固定的光學(xué)組件。這使馬達(dá)的推力點(diǎn)與每個(gè)對(duì)焦鏡組的重心對(duì)齊，從而最大程度地提高了動(dòng)力傳輸效率并消除了損耗的推力，有助于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)和安靜的自動(dòng)對(duì)焦。

驅(qū)動(dòng)控制負(fù)責(zé)人：水野遊生(Yuki Mizuno)

水野：請(qǐng)?jiān)试S我補(bǔ)充有關(guān)對(duì)焦馬達(dá)的更多信息。

首先，該鏡頭總共使用了四個(gè)直驅(qū)XD線性馬達(dá)，兩個(gè)對(duì)焦鏡組分別分配了兩個(gè)馬達(dá)。

每個(gè)馬達(dá)都是根據(jù)索尼獨(dú)有的馬達(dá)設(shè)計(jì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。馬達(dá)設(shè)計(jì)模擬技術(shù)的進(jìn)步使開發(fā)高效馬達(dá)成為可能，盡管尺寸受到嚴(yán)格限制，但仍可產(chǎn)生足夠的功率，并在各種惡劣環(huán)境下都具有非常高的可靠性。設(shè)計(jì)規(guī)格和尺寸最適合鏡頭的馬達(dá)，有助于在不影響性能的情況下實(shí)現(xiàn)緊湊性。

一般來(lái)說，旋轉(zhuǎn)型馬達(dá)用于驅(qū)動(dòng)較重的對(duì)焦鏡組，但是將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)的凸輪和齒輪不可避免地會(huì)導(dǎo)致功率損耗，并且許多機(jī)械零件會(huì)產(chǎn)生噪音和振動(dòng)。

對(duì)于高性能F1.2鏡頭而言這是行不通的，因此我們決定使用小型但功能強(qiáng)大的馬達(dá)來(lái)直接線性地驅(qū)動(dòng)對(duì)焦鏡組，采用XD線性馬達(dá)實(shí)現(xiàn)快速、靜音和低振動(dòng)。

但是由于線性馬達(dá)沒有減速機(jī)構(gòu)，因此為了實(shí)現(xiàn)快速和精準(zhǔn)的自動(dòng)對(duì)焦，需要非常靈敏的控制。

具體來(lái)說，我前面提到的四個(gè)傳感器精確地檢測(cè)了對(duì)焦鏡組的位置，并以快速的反饋周期將該位置數(shù)據(jù)提供給控制系統(tǒng)，從而提高了響應(yīng)速度，這也利用了索尼獨(dú)有的控制模擬技術(shù)。鏡頭移動(dòng)和停止的許多模式都經(jīng)過了反復(fù)的完整模擬，并在實(shí)際硬件上進(jìn)行了測(cè)試和分析。最終進(jìn)行了調(diào)整以使驅(qū)動(dòng)器從加速到靜止均實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)-這是該鏡頭的最佳選擇。 　　

這種精細(xì)的控制將驅(qū)動(dòng)噪音和振動(dòng)降低到非常低程度，以至于用戶可能懷疑鏡頭是否在移動(dòng)。XD直驅(qū)線性馬達(dá)由軟件控制，可提供最大的自動(dòng)對(duì)焦和響應(yīng)速度，使我們能夠制造出擁有出色光學(xué)性能的緊湊型鏡頭。

可滿足索尼現(xiàn)在和未來(lái)機(jī)身需求的鏡頭

菊地：我也想談?wù)?/span>F1.2鏡頭如何充分利用相機(jī)機(jī)身的性能。索尼從系統(tǒng)層面開發(fā)了所有必不可少的組件，包括影像傳感器，因此相機(jī)和鏡頭作為一個(gè)整體系統(tǒng)在內(nèi)部同時(shí)開發(fā)。當(dāng)我們開發(fā)可更換鏡頭時(shí)，還要照顧到機(jī)身的未來(lái)發(fā)展，以使鏡頭能夠從未來(lái)的機(jī)身中獲得最佳的性能。

當(dāng)然，這款鏡頭非常適合與2021年1月發(fā)布的新機(jī)Alpha 1結(jié)合使用，可進(jìn)行30fps連拍，8K和4K 120p高分辨率視頻拍攝。我們也試著預(yù)測(cè)機(jī)身的未來(lái)趨勢(shì)，我們的目標(biāo)是追求不僅是滿足現(xiàn)在機(jī)身的需求，也能滿足未來(lái)的機(jī)型的高畫質(zhì)和高性能的需求。

可靠性和易用性

專業(yè)的操控

高田：我們開發(fā)的這款鏡頭在操作性上也毫不妥協(xié)，因此可以滿足專業(yè)攝影師的需求。    　　

例如，盡管其外型緊湊，但在鏡頭的頂部和側(cè)面均提供了可自定義的對(duì)焦保持按鈕，無(wú)論是在水平還是在垂直位置拍攝人像，都具有相同的專業(yè)操作感受。

水野：我們?cè)谠O(shè)計(jì)FE 50 mm F1.2 GM時(shí)還考慮了手動(dòng)對(duì)焦，尤其是對(duì)焦環(huán)的位置，注重扭矩和旋轉(zhuǎn)時(shí)的手感。鏡頭配備了線性響應(yīng)手動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，可讓對(duì)焦環(huán)直接線性地作出響應(yīng)，以保證精準(zhǔn)的對(duì)焦調(diào)節(jié)，甚至可以對(duì)對(duì)焦環(huán)的很小的移動(dòng)做出反應(yīng)。在F1.2時(shí)，對(duì)位置精度要求很高，但我們開發(fā)了滿足該需求的鏡頭。

 堅(jiān)固耐用 可在復(fù)雜嚴(yán)苛環(huán)境中使用   　　

菊地：鏡頭密封良好，可防止污垢，灰塵和水濺–防塵和防潮設(shè)計(jì)為用戶提供了保證。 

前鏡片的氟化物涂層可降低鏡頭表面沾染水漬、油污、灰塵和其他污染物的幾率。 

水野：我們還考慮了環(huán)境溫度的變化，例如機(jī)械和電氣組件的屬性（例如對(duì)焦馬達(dá)的推力）隨環(huán)境和溫度的變化而改變。該鏡頭的軟件可通過自主計(jì)算各種控制參數(shù)，來(lái)不斷優(yōu)化性能，即使在苛刻條件下也能保持精度。 

最終，即使在野外嚴(yán)苛條件下（例如極冷或極熱的環(huán)境）拍攝時(shí)，用戶也可以用這款高性能鏡頭放心地拍攝。   

值得擁有的F1.2鏡頭

菊地：作為光學(xué)設(shè)計(jì)師，我可以毫不夸張地說，這款鏡頭是G大師鏡頭系列的巔峰之作，具備高分辨率和優(yōu)秀的散景。我期待用戶可以親身體驗(yàn)這款F1.2鏡頭帶來(lái)的柔美背景虛化效果和高分辨率。

盡管最大光圈達(dá)到了F1.2，但這款鏡頭在緊湊性和高性能方面達(dá)到了平衡，并且具備很多專業(yè)的性能。鏡頭包含了索尼很多新技術(shù)，因此作為一名鏡頭工程師，我很愿意看到用戶使用它拍攝各種不同的題材。

水野：這是一款可進(jìn)行多種拍攝題材的鏡頭，滿足專業(yè)攝影師和發(fā)燒友的不同的拍攝需求。它不僅適合拍攝人像和婚禮等題材，高性能的自動(dòng)對(duì)焦功能還使其能夠出色地捕捉轉(zhuǎn)瞬即逝的瞬間，例如跟蹤體育賽事中快速移動(dòng)的對(duì)象。

高田：這款緊湊的FE 50 mm F1.2 GM鏡頭還為視頻拍攝提供了出色的性能。手持或采用穩(wěn)定器拍攝時(shí)，即使在F1.2的景深較淺時(shí)自動(dòng)對(duì)焦性能也可以輕松跟蹤被攝對(duì)象。優(yōu)秀的自動(dòng)對(duì)焦和安靜與平滑的光圈環(huán)，精準(zhǔn)和響應(yīng)靈敏的手動(dòng)對(duì)焦環(huán)相結(jié)合，讓攝像師倍受青睞。我希望用戶會(huì)喜歡這種新的視頻視覺表達(dá)形式。

通過提供新的拍攝體驗(yàn)，該鏡頭充分體現(xiàn)了G大師鏡頭系列的價(jià)值和潛力。