Een ontwerpvisie werkelijkheid maken

Een interview met de ontwikkelaars van de FE 50 mm F1.2 G Master

Het hoofd optisch design houdt de XA-lens vast en vertelt
Een passie voor optisch design
Het hoofd mechanisch design houdt de XD lineaire motoren vast en legt uit
Autofocus en mechanisch design
Afbeelding van een verticaal gehouden camera met FE 50 mm F1.2 GM-lens erop
Betrouwbaarheid en gebruiksgemak
Concept van ontwikkeling

Een zeer gebruiksvriendelijke F1.2-lens maken

Productleider en hoofd optisch design / Atsuo Kikuchi

Het hoofd optisch design houdt de FE 50 mm F1.2-lens vast en legt uit

―Kunt u een paar ontwerpdoelen noemen voor de eerste F1.2-lens van Sony? 

Kikuchi: We hebben al heel wat prime-lenzen met groot diafragma op de markt gebracht, maar we wisten dat onze klanten over de hele wereld een snellere lens met een groot diafragma wilden. Het grootst was de vraag naar een standaard F1.2 G Master van 50 mm.
 
Bij de ontwikkeling van een F1.2-lens met een groot diafragma wilden we de uitstekende resolutie en bokeh van de G Master-serie behouden en tegelijkertijd zorgen dat de lens gebruiksvriendelijk was. Als we de diafragmagrootte vooropstelden, zou de lens te groot en te zwaar worden. Lens en behuizing zouden dan niet meer compact en licht zijn, en dat is nou juist een groot voordeel van het E-bevestigingssysteem. Klanten bedanken voor een lens met fantastische optische eigenschappen als die niet het maximale kan halen uit de uitstekende autofocussystemen op camerabehuizingen of helemaal geen autofocusmogelijkheid heeft.

Dus, als we de snelste autofocuslens met F-getal in de geschiedenis van de α wilden maken met uitstekende autofocusprestaties, gebruiksvriendelijkheid en draagbaarheid, moesten we de toonaangevende technologie van Sony gebruiken. Klanten zullen straks niet alleen verrast worden door de geweldige optische prestaties van deze lens, maar ook door hoe soepel en stil de autofocus werkt, zeker voor een F1.2-lens met groot diafragma.

De toevoeging van deze F1.2-lens aan de α-serie biedt makers echt veel meer mogelijkheden. Deze lens kan in talloze situaties worden gebruikt, door zowel professionals als amateurs, voor van portret- en trouwfoto's tot landschappen en gewone kiekjes.

De Planar T* FE 50 mm F1.4 ZA-lens maakt al onderdeel uit van de α-serie. Als we die vergelijken met de nieuwe FE 50 mm F1.2 GM-lens, lijkt het verschil tussen het maximale diafragma van F1.4 en F1.2 klein. Het is echter weldegelijk een halve stop. De extra lichtsterkte van de F1.2-lens vereist een 17% groter effectief diafragma (diameter), of een bijna 40% groter diafragmagebied. Dat verschil zorgde bij het ontwerp en de productie van een compacte F1.2-lens voor flinke problemen
 
en stelde ons voor veel nieuwe uitdagingen.

Zo moesten we bijvoorbeeld het voorste lenselement zo klein mogelijk houden, ook al was het een F1.2-lens. Hiervoor gebruikten we verschillende XA-lenzen (extreem asferisch), een technologie waar alleen Sony over beschikt. Hierdoor hoefden we de voorste lens niet te vergroten en compenseerden we voor aberraties die bij lenzen met een grotere diameter voorkomen.

Om aberraties volledig te onderdrukken, benutten we een onafhankelijk aangedreven systeem voor zwevende scherpstelling met twee scherpstelgroepen, dat optimaal compenseert voor aberraties over het hele scherpstelbereik, ook bij minimale scherpstelafstand.

De krachtige, stille XD lineaire motor van Sony drijft de scherpstelling aan. Dankzij de vier compacte direct-drive actuatoren met precisiecontrole heeft het ontwerp van de scherpstelgroep ruimte voor meerdere elementen die aberratie superieur compenseren.

Het resultaat is een lens met de resolutie van een G Master die de maximale snelheid, precisie en trackingprestaties uit de autofocus van de camera haalt. En dat in een lensbehuizing van 108 mm (4.3/8 inch) en 778 gram (27.5 oz), hetzelfde als de huidige Planar-lens. We zijn er trots op dat we een unieke F1.2-lens hebben geproduceerd die hopelijk van meerwaarde is voor professionals en liefhebbers.

Een passie voor optisch design
Verbazingwekkende resolutie, zelfs bij F1.2

Kikuchi: Voor optische topprestaties met een kleine vormfactor in een F1.2-lens, hebben we XA-lenzen van Sony gebruikt en simulatietechnieken voor resolutie, bokeh en chromatische aberratie benut.
 
Voor de hoogste optische prestaties moeten aberraties zoveel mogelijk worden geëlimineerd.

In het verleden gebruikte men de Gauss-constructie voor lenzen van 50 mm. Deze constructie bestaat uit groepen symmetrische lenselementen aan beide kanten van een centraal diafragma waardoor aberraties aan beide kanten van het diafragma elkaar opheffen. De constructie is zeer geschikt voor een beeldhoek van 50 mm en werd in het verleden dan ook voor de meeste lenzen van 50 mm gebruikt.

Deze symmetrische constructie corrigeert echter alleen vervorming en aberraties van veldkromming, maar doet te weinig tegen sferische aberratie en sagittale schittering. Dit optische ontwerp volstond dus niet voor de hoge aberratiecorrectie die wij wilden behalen.

Zoals ervaren cameragebruikers weten, is een hoog scheidend vermogen over het hele beeld alleen mogelijk bij voldoende compensatie van de aberratie. Puntlichtbronnen zoals sterren aan de hemel moeten eigenlijk daar worden scherpgesteld waar ze in de afbeelding verschijnen. Bij onvoldoende compensatie van de aberratie lijken het net fladderende vogels of ontstaat er kleurspreiding. De gebruiker kan dit tegengaan door het diafragma te verkleinen, maar wat heeft een groot diafragma dan nog voor nut?

Wij wilden met deze lens optische prestaties bereiken waarmee gerust opnamen gemaakt kunnen worden bij maximaal diafragma. Om dat te bereiken, 'breekt' onze optische indeling het symmetrische ontwerp en zorgt voor een grondige onderdrukking van aberraties die met een symmetrisch lensontwerp moeilijk te onderdrukken zijn.

Symmetrische lenzen hebben vaak grote elementen aan de voorkant en bestaan vaak uit veel elementen om sferische aberratie en sagittale schittering te corrigeren.

In ons nieuwe optische ontwerp gebruiken we slechts drie XA-lenzen (extreem asferisch), hebben we de diameter van het voorste element niet vergroot en hebben we het aantal lenselementen tot een minimum beperkt. Zo is de lens compact gebleven. 

Een illustratie van de lensconfiguratie
Lensconfiguratiegrafiek

[1] Extreem asferische lens (XA-lens) 

Zoals de A van asferisch al aangeeft, is de kromming van het oppervlak van de XA-lens niet constant: in het midden is deze anders dan aan de rand van het element. We hebben met onze optische simulatietechnologieën de vormen van de drie XA-lenselementen in verschillende stadia geoptimaliseerd.
 
Zoals u misschien weet, hebben we de oppervlakteprecisie van de XA-lenzen uit de G Master-serie tot op micronniveau aangepast. Door het grote F1.2-diafragma en de grote diameter van het buitenste element van deze lens moest elke stap in het productieproces van de gebruikte XA-lenzen nóg nauwkeuriger verlopen, anders was de gewenste oppervlakteprecisie niet haalbaar. Dit was de grootste uitdaging die we ooit in het productieproces hebben moeten overwinnen. Maar de integratie van ontwerp- en productieprocessen verbeterde elke stap, en doordat we nieuwe technologische uitdagingen met vertrouwen tegemoetgingen, werd zowel de grote diameter als de hoge precisie gerealiseerd.

Met name de XA-lens die hierboven als tweede van voren in de lensconfiguratiegrafiek staat, droeg veel bij aan de vermindering van het aantal benodigde lenselementen en van de omvang en het gewicht . Het was een groot voordeel dat we een asferische lens met een grote diameter en de onovertroffen precisie van Sony konden gebruiken. Dergelijke voordelen liggen ten grondslag aan het gehele optische ontwerp van de compacte F1.2-lens.

We hebben met de simulatietechnologie van Sony voor chromatische aberratie de combinatie van glassoorten kunnen optimaliseren, de chromatische aberratie en kleurspreiding kunnen verminderen, en ondanks het grote diafragma een hoge resolutie kunnen behalen die bij de G Master past.

Als een optisch technicus naar een lensconfiguratiegrafiek kijkt, denkt die soms: 'Dit element helpt maar weinig om de aberratie te corrigeren' (lacht). Als technicus wil ik de aberratie zo efficiënt mogelijk corrigeren, met het kleinste aantal lenselementen. Met andere woorden, ik wil oplossingen vinden die de lens compact houden en toch optische topprestaties leveren. Zoals u in de bovenstaande configuratiegrafiek voor de FE 50 mm F1.2 GM ziet, is dit een compromisloos ontwerp, waarin de bijdrage aan aberraties door de krommingen van alle lenselementen is meegenomen. Ik hoop dat makers de combinatie van een compacte lens en optische prestaties in een schitterend optisch ontwerp zullen waarderen.

De unieke XA-lenzen (extreem asferisch) van Sony
Het hoofd optisch design houdt de XA-lens vast en vertelt
Een illustratie met MFT-grafieken
MTF-grafiek

[1] Contrast (%) [ 2] Afstand vanaf optisch midden van de lens (mm)   [3] Max. diafragma  [4] F8-diafragma  [5] Ruimtelijke frequentie  [6] 10 lijnparen / mm [7] 30 lijnparen / mm  [8] Radiale waarden  [9] Tangentiële waarden

F1.2 G Master zorgt voor een adembenemend volle en vloeiende bokeh

Kikuchi: F1.2 lenzen staan bekend om hun volle bokeh. Bij deze lens gaat het echter niet alleen om de hoeveelheid bokeh, maar ook om een vloeiende, volle bokeh die de G Master eer aandoet. Bokeh zorgt er met name in portretfotografie voor dat het onderwerp op een natuurlijke manier benadrukt wordt. Bokeh is iets heel gevoeligs en is lastig te perfectioneren, maar we wisten dat we dit wel moesten bereiken om aan de verwachtingen van de klant voor een F1.2 G Master te voldoen.
 
Toen we begonnen met het ontwerp, hebben we de bokeh verschillende keren gesimuleerd en aangepast om het ideale niveau van sferische aberratie te ontdekken, zodat we de optimale bokeh en resolutie konden bereiken.

Tijdens de productie wordt de ruimte tussen de elementen lens voor lens aangepast voor een precieze controle van sferische aberratie, zodat we een evenwicht bereiken tussen voor- en achtergrondbokeh en een fraai neutraal effect op de hele opname bereiken.

Ik sprak eerder bij de productie van XA-lenzen over de resolutie, maar de oppervlakteprecisie onder micronniveau onderdrukt ook het streep- of uienringeffect binnen een bolvormige bokeh .

XA-lenzen: oppervlakteprecisie teruggebracht tot 0,01 micron

[1-1] Gebruikelijk asferisch lensoppervlak [1-2] Ongewenst bokeh-resultaat [2-1] Extreem asferisch lensoppervlak (XA) [2-2] Prachtig bokeh-resultaat

Een illustratie waarop de onregelmatigheden op het oppervlak van gewone en XA-lenzen worden vergeleken, zichtbaar in de "uienringbokeh"
Het hoofd mechanisch design houdt de FE 50mm F1.2 vast en vertelt

Hoofd mechanisch design / Yuichiro Takata

Takata: De zachte en prachtige bokeh is ook mogelijk dankzij het 11-bladig rond diafragma. De diafragma-unit is nieuw ontwikkeld en behoudt een bijna ronde vorm op zelfs twee stops van volledig open.
 
F1.2 is een groot diafragma, en in een conventioneel ontwerp zouden de diafragmaschijven dan ook groot zijn. En als het diafragma open is, moeten de grote schijven naar een ruimte buiten het optische pad en de effectieve diameter kunnen bewegen, waardoor de buitendiameter van de lens ook groter wordt. Omdat we de diafragma-unit zo klein mogelijk wilden houden, moesten we alles opnieuw ontwerpen, van elke schijfvorm tot ieder onderdeel van het aandrijfmechanisme.

De diafragma-unit is zeer belangrijk bij het bepalen van de diafragmawaarde en belichting. Kleinere unit-onderdelen vereisen meer precisie tijdens de productie en meer nauwkeurigheid bij de montage ervan. Doordat we de productie- en montageprocessen goed onder de loep hebben genomen, konden we zowel die verkleining als precisie bereiken.

Het hoofd mechanisch design houdt de iris-units vast en vertelt
Diafragma-unit
Vooraanzicht van de FE 50 mm F1.2 terwijl het diafragma met een paar stops wordt verkleind
Ronde vorm blijft zelfs bij verkleining met 2 stops
Lineaire aandrijving: de sleutel tot verkleining

Takata: Om optische topprestaties met autofocus te bereiken, moesten de teams mechanica en softwarebesturing nauw samenwerken.

Zoals ik al eerder uitlegde, hadden we twee scherpstelgroepen met meerdere elementen nodig voor consistente topprestaties in het hele scherpstelbereik. De grotere diameter van de F1.2-lens betekende natuurlijk ook zwaardere scherpstelgroepen. Een zwaardere scherpstelgroep zorgt voor flinke uitdagingen op het gebied van scherpstelsnelheid en voor meer ruis en trilling bij het transporteren.

De vraag was hoe we voor een perfecte resolutie en bokeh konden zorgen zonder dat dit ten koste ging van de autofocussnelheid. Onze oplossing hiervoor was om XD lineaire motoren met direct drive van Sony als aandrijving te gebruiken.

Autofocus en mechanisch design
Supersnelle, zeer nauwkeurige autofocus, zelfs bij F1.2

Takata: De grootste uitdaging bij de snelle autofocus van de F1.2-lens was het bereiken van een extreem hoge scherpstelprecisie bij geringe scherptediepte.

Zelfs bij een maximaal diafragma van F1.2 biedt een lens weinig gebruiksgemak tenzij deze een gelijkwaardig niveau van scherpstelprecisie en trackingprestaties biedt. Dat is technisch gezien erg ingewikkeld. Deze lens bevat verschillende technologieën en technieken om een supersnelle, nauwkeurige scherpstelling te bereiken, zelfs met de zeer geringe scherptediepte bij F1.2. Hierbij spelen vier functies een belangrijke rol: de structuur met zwevende scherpstelling; de XD lineaire motoren; de vier sensoren voor scherpstelpositie; en de optimale balans tussen de zwaartepunten van de twee lensgroepen voor scherpstelling.

De structuur met zwevende scherpstelling verbetert niet alleen de optische prestaties, maar door de splitsing in twee scherpstelgroepen is elke groep ook lichter, waardoor de autofocus snel en nauwkeurig werkt.

Aan de andere kant is een zeer nauwkeurige scherpstelling cruciaal voor een volledige resolutie bij F1.2. Hiervoor moeten de twee lensgroepen voor scherpstelling, die beide relatief groot en zwaar zijn, exact synchroon bewegen. Dit lukte dankzij de XD lineaire motoren van Sony die klein maar zeer krachtig zijn.

Met de geringe scherptediepte bij F1.2 zijn fouten ongewenst, dus volgen vier positiesensoren de lensgroepen voor scherpstelling, zodat hun exacte positie altijd bekend is.

Tot slot hebben we een vaste optische groep tussen de twee scherpstelgroepen geplaatst waardoor we de kracht van de XD lineaire motoren zo efficiënt mogelijk konden benutten en het gemakkelijker werd om de zwaartekrachtpunten van de twee scherpstelgroepen in balans te brengen. Hierdoor loopt het aandrijfpunt van de motoren gelijk met het zwaartekrachtpunt van elke scherpstelgroep, voor een zeer efficiënte vermogensoverdracht waarbij geen kracht verloren gaat. Het resultaat is een supersnelle, zeer nauwkeurige en stille autofocus. 

Het hoofd aandrijvingsmechanismen en de FE 50 mm F1.2

Hoofd aandrijvingsmechanismen / Yuki Mizuno

Mizuno: Ik wil beginnen met de scherpstelaandrijving.
 
Deze lens heeft vier direct-drive XD lineaire motoren; twee voor elk van de twee lensgroepen voor scherpstelling.

Elke motor is ontworpen op basis van de gegevens uit de motorontwerpsimulator van Sony. Dankzij de ontwikkelingen in de simulatietechnologie voor motorontwerpen kunnen we nu zeer efficiënte motoren maken die ook bij zeer beperkte omvang voldoende vermogen leveren en zeer betrouwbaar zijn in diverse zware omstandigheden. Doordat we motoren kunnen ontwerpen met de optimale omvang en specificaties voor deze lens, konden we een lens ontwikkelen die zowel compact is als uitstekende prestaties levert.

Roterende actuatoren worden gebruikt om zware scherpstelgroepen aan te drijven, maar de nokken en tandwielen die de rotatie in lineaire bewegen omzetten zorgen voor verlies aan vermogen. En veel mechanische onderdelen zorgen voor ruis en trillingen.

Dat was geen optie voor de geavanceerde F1.2-lens die we voor ogen hadden, dus gebruikten we kleine, krachtige motoren die de scherpstelgroepen direct en lineair aandrijven: supersnelle XD lineaire motoren met weinig ruis en trilling.

Doordat lineaire motoren geen snelheidsverminderingsmechanisme hebben, is een zeer responsieve bediening vereist om een supersnelle en zeer nauwkeurige autofocus te realiseren.

De vier eerder genoemde sensoren detecteren heel precies de posities van de scherpstelgroepen en geven die gegevens razendsnel door aan het bedieningssysteem voor een nóg betere responsiviteit. Dit systeem benut ook de bedieningssimulatietechnologie van Sony. We hebben diverse bewegings- en stoppatronen van lenzen gesimuleerd, op echte hardware getest en geanalyseerd. Tot slot hebben we de beweging van de actuator optimaal op de lens afgestemd, zodat die soepel versnelt en afremt.

Door deze soepele bediening is er zo weinig ruis en trilling dat men zou kunnen twijfelen of de lens wel echt beweegt. De software van de XD lineaire motoren zorgt voor maximale autofocussnelheid en responsiviteit waardoor we een compacte lens met superieure optische prestaties konden maken.

Een lens die voortkomt uit onze toekomstvisie op camera's

Kikuchi: Ik wil graag wat vertellen over de manier waarop deze F1.2-lens de volledige functionaliteit van de camerabehuizing gebruikt. Sony ontwikkelt alle essentiële onderdelen op apparaatniveau, waaronder de beeldsensor. We ontwikkelen dus camera's en lenzen tegelijkertijd als een compleet systeem. Als we verwisselbare lenzen ontwikkelen, denken we daarbij aan toekomstige ontwikkelingen in behuizingen, zodat onze lenzen ook daar straks de maximale prestaties uit kunnen halen.

Deze nieuwe lens past perfect bij de nieuwe α1, die in januari 2021 werd aangekondigd en beschikt over opties om continu te fotograferen met 30 fps en filmopnamen in hoge 8K- en 4K120p-resolutie te maken. We hebben echter ook geprobeerd om rekening te houden met toekomstige trends bij camerabehuizingen. We streven naar ontwerpen die niet alleen nu, maar ook in de toekomst maximale prestaties leveren.

Betrouwbaarheid en gebruiksgemak
Compromisloze bediening

Takata: We wilden dat de lens in professionele situaties gebruikt kon worden en hebben bij de ontwikkeling geen concessies gedaan qua bediening.
 
Zo zitten er knoppen voor aanpasbare scherpstelvergrendeling op de boven- en zijkant van de compacte behuizing waardoor het voor makers niet uitmaakt of ze die nu horizontaal of verticaal houden.

Mizuno: Bij het ontwerp van de F1.2 stond handmatige scherpstelling centraal en hebben we veel aandacht besteed aan de plaats van de scherpstelring, de terugkoppeling en het rotatiegevoel van de ring. De lens is uitgerust met Linear Response MF dat direct en lineair op zelfs de kleinste rotaties van de scherpstelring reageert en uiterst nauwkeurig scherpstelt. Bij F1.2 is de noodzaak voor positionele nauwkeurigheid groot, maar we hebben de lens zo ontwikkeld dat deze aan die eis voldoet.

Stevig genoeg voor gebruik in professionele omgevingen

Kikuchi: De lens is goed beschermd tegen vuil, stof en waterspetters. Gebruikers kunnen vertrouwen op het stof- en vochtbestendige ontwerp.
 
De voorste lens heeft een fluorcoating die stof tegenhoudt en die het gemakkelijk maakt om vuil en vingerafdrukken te verwijderen.

Mizuno: We hebben ook rekening gehouden met temperatuurschommelingen in de omgeving. De eigenschappen van de mechanische en elektrische componenten, zoals de aandrijving van de actuatoren, verschillen per omgeving en temperatuur. De lens bevat software die de verschillende optimale controleparameters berekent zodat nauwkeurigheid ook onder zware omstandigheden gewaarborgd is.

Makers kunnen dus op superieure prestaties vertrouwen, ook als ze onder moeilijke omstandigheden werken, zoals bij extreme kou of hitte.

Eindelijk: Een F1.2-lens die zijn weerga niet kent

Kikuchi: Vanuit het oogpunt van een optisch ontwerper durf ik deze lens met perfecte resolutie en bokeh zonder overdrijven het hoogtepunt uit de G Master-serie te noemen. Ik kan niet wachten tot onze klanten de prachtige bokeh en hoge resolutie van deze F1.2-lens ook ervaren.
 
Hoewel dit een F1.2 is, heeft deze lens dankzij het compacte formaat en de uitstekende prestaties een superieure balans. Daarnaast zijn er aspecten die zich niet in specificaties laten beschrijven. Makers moeten de lens vooral zelf uitproberen. De lens bevat alle denkbare technologieën van Sony. Als lenstechnicus hoop ik van harte dat gebruikers er uiteenlopende scènes mee gaan vastleggen.

Mizuno: Het is een zeer flexibele lens, bedoeld voor verschillende situaties en gebruikers, van professionals tot liefhebbers. Nog nooit was er een F1.2-lens als deze. De lens leent zich niet alleen geweldig voor portretten en trouwfoto's, want dankzij de geavanceerde autofocus legt de lens ook vluchtige momenten en snelbewegende onderwerpen tijdens bijvoorbeeld sportwedstrijden schitterend vast.

Takata: Deze compacte F1.2-lens maakt ook schitterende filmopnamen. In de hand of op een gimbal, de autofocus van deze lens laat makers onderwerpen eenvoudig volgen, zelfs met een geringe scherptediepte bij F1.2. Voor videografen zijn de geruisloze autofocus, het dito diafragma en de soepele, nauwkeurige ring voor handmatig scherpstellen zeer aantrekkelijk. Ik hoop dat mensen profiteren van deze nieuwe vormen van visuele expressie voor films.

Deze lens zorgt voor nieuwe opnamemogelijkheden en is een waardige, krachtige toevoeging aan de G Master-serie.