Verwirklichung einer Entwurfsvision
Ein Interview mit dem Entwicklungsteam des FE 50 mm F1.2 G Master
Eine Leidenschaft für optische Konstruktion
Autofokus und mechanisches Design
Zuverlässigkeit und Bedienfreundlichkeit
Entwicklungskonzept
Ein wirklich bedienfreundliches F1.2-Objektiv
Produktleiter und Leiter optische Konstruktion/Atsuo Kikuchi
Was waren die Ziele für den Entwurf des ersten F1.2-Objektivs von Sony?
Kikuchi: Wir haben schon viele lichtstarke Festbrennweiten auf den Markt gebracht, aber wir wussten, dass rund um den Globus ein schnelleres lichtstarkes Objektiv nachgefragt wurde – vor allem ein G Master F1.2-50-mm-„Standard“objektiv.
Wir wussten, dass wir für ein lichtstarkes F1.2-Objektiv die hohe Auflösung und das hervorragende Bokeh der G Master Series beibehalten und zugleich für eine hohe Bedienfreundlichkeit sorgen mussten. Mit einem zwar lichtstarken, aber zu großen und zu schweren Objektiv hätten wir auf die kompakte, leichte Linsen-Gehäuse-Kombination verzichten müssen, die einer der großen Vorteile des E-Mount-Systems ist. Ein Objektiv, das die Möglichkeiten guter Kamera-Autofokussysteme nicht voll oder gar nicht nutzt, wäre selbst bei herausragenden optischen Eigenschaften nicht gut angekommen.
Für das schnellste F-Zahl-Autofokusobjektiv in der Geschichte der α, das keine Abstriche bei Autofokusleistung, Bedienfreundlichkeit und Mobilität macht, griffen wir auf modernste Technologie von Sony zurück. Neben der hervorragenden optischen Leistung dürfte überraschen, wie leicht, schnell und leise der Autofokus bei diesem lichtstarken F1.2-Objektiv ist.
Mit der Erweiterung des α Sortiments um dieses F1.2-Objektiv eröffnen sich völlig neue Aufnahmemöglichkeiten. Profis wie Amateure können es vom Porträt über Hochzeiten und Landschaften bis zu Schnappschüssen in verschiedensten Situationen einsetzen.
Zum α Sortiment zählt bereits das ZA Planar T* FE 50-mm-F1.4-Objektiv. Der Unterschied der maximalen Blende des F1.4 gegenüber dem GM FE 50-mm-F1.2-Objektiv mag klein klingen. Tatsächlich ist das eine volle halbe Stufe, deren zusätzliche Lichtstärke die effektive Blende (Durchmesser) um etwa 17 % und die Öffnungsfläche um fast 40 % vergrößert. Ein kompaktes F1.2-Objektiv bringt also erhebliche Hürden für Konstruktion und Fertigung mit sich.
Um sie zu überwinden, ergaben sich viele nie dagewesene Herausforderungen.
Unter anderem musste das vordere Linsenelement trotz Blende F1.2 möglichst klein gehalten werden. Deshalb verwendeten wir mehrere (extrem asphärische) XA-Elemente, eine Technologie, die es nur bei Sony gibt. So mussten wir die vordere Linse nicht größer bemessen und konnten Abweichungen, die für Objektive mit großem Durchmesser typisch sind, umfassend kompensieren.
Um Abweichungen auch beim Mindestfokusabstand über den gesamten Fokusbereich optimal zu kompensieren und so vollständig zu eliminieren, verwendeten wir ein Floating-Fokussystem mit unabhängigem Antrieb und zwei Fokusgruppen.
Der Fokusantrieb nutzt von Sony entwickelte XD-Linearmotoren (Extreme Dynamic), die zugleich schubstark und leise arbeiten. Mit vier dieser kompakten, präzisen Direktantriebe können die Fokusgruppen für eine hervorragende Abweichungskompensation mehrere Elemente umfassen.
Das Ergebnis: ein Objektiv mit G Master Auflösung, das maximale Geschwindigkeit, Genauigkeit und Tracking-Leistung des Kamera-Autofokus voll ausschöpft und bei einer kurzen Länge von 108 mm (4 3/8 Zoll) nur 778 g (27,5 oz) wiegt – wie das aktuelle Planar Objektiv. Wir sind sehr stolz darauf, ein völlig neues F1.2-Objektiv entwickelt zu haben, das Amateuren und Profis hoffentlich hervorragende Dienste leisten wird.
Eine Leidenschaft für optische Konstruktion
Herausragende Auflösung auch bei F1.2
Kikuchi: Um ein F1.2-Objektiv mit hoher optischer Leistung und kleinem Formfaktor zu erreichen, wurden die von Sony entwickelten XA-Linsen und Simulationstechnologien für Auflösung, Bokeh und chromatische Aberration eingesetzt.
Für eine möglichst hohe optische Leistung müssen vor allem Abweichungen weitgehend reduziert werden.
Traditionelle 50-mm-Objektive haben üblicherweise ein Gauss-Layout. Dabei werden die Linsenelementgruppen symmetrisch auf beiden Seiten einer mittigen Öffnung angeordnet. Abweichungen auf den beiden Seiten der Öffnung heben sich dabei gegenseitig auf. Das funktioniert beim 50-mm-Sichtwinkel besonders gut, sodass fast alle bisherigen 50-mm-Objektive dieser Konstruktionsart folgen.
Die symmetrische Struktur kompensiert jedoch nur Verzerrungen und Krümmungen, aber keine sphärischen Abweichungen oder sagittale Reflexionen. Kurz: Mit dieser optischen Konstruktion war die hohe Abweichungskompensation, die wir anstrebten, nicht möglich.
Wie erfahrene Kamerabenutzer wissen, ist ohne eine ausreichende Abweichungskompensation keine hohe Auflösung über das gesamte Bild möglich. Punktlichtquellen wie Sterne am Himmel sollten im Bild idealerweise auf Punkte fokussiert werden. Unzureichend kompensierte Abweichungen lassen sie jedoch wie flatternde Flügel oder zerlaufende Farben aussehen. Das lässt sich durch Abblenden vermeiden – aber dann ist ein lichtstarkes Objektiv überflüssig.
Unser Ziel für dieses Objektiv war eine optische Leistung, mit der auch bei größter Blende Aufnahmen souverän gelingen. Unsere optische Anordnung „bricht“ damit teilweise die Symmetrie und eliminiert dadurch Abweichungen, die sich bei symmetrischer Konstruktion nur schwer vermeiden lassen.
Zur Kompensation sphärischer Abweichungen und sagittaler Reflexionen haben symmetrisch angeordnete Objektive meist größere vordere Elemente und oft viele Elemente.
Unsere neue optische Konstruktion besteht aus nur drei (extrem asphärischen) XA-Linsen, vergrößert nicht den Durchmesser des vorderen Elements und reduziert die Linsenelemente auf ein Minimum. So ist die kompakte Gesamtgröße möglich.
Objektivkonfigurationsschema
[1] Extrem asphärisches Linsenelement (XA)
Wie die Bezeichnung „asphärisch“ im Namen nahelegt, sind XA-Linsen nicht konstant, sondern von der Mitte bis zum Rand unterschiedlich gekrümmt. Die Formen der drei XA-Linsenelemente wurden bei diesem Objektiv mit der von Sony entwickelten Technologie zur optischen Simulation jeweils in mehreren Iterationen optimiert.
Wie vielleicht bekannt, wird die Genauigkeit bei den XA-Linsen der G Master Series bis auf Submikronebene justiert. Für die große F1.2-Blende und den großen Durchmesser des Außenelements musste die Genauigkeit aller Schritte zur Fertigung der XA-Linsen für dieses Objektiv deutlich erhöht werden, um die erforderliche höhere Oberflächenpräzision sicherzustellen. Das war die größte Hürde bei der Fertigung, die wir bisher überwinden mussten. Mit der Integration der Konstruktions- und Fertigungsprozesse konnten wir die einzelnen Schritte jedoch optimieren, und da wir diese neuen technischen Herausforderungen direkt in Angriff nahmen, waren zugleich ein großer Durchmesser und eine hohe Präzision möglich.
Insbesondere mit der zweiten XA-Linse von vorn im Objektivkonfigurationsschema oben ließen sich die Zahl der Linsenelemente in der vorderen Gruppe, Größe und Gewicht deutlich reduzieren. In dieser Position eine asphärische Linse mit großem Durchmesser in einer Fertigungspräzision verwenden zu können, die nur Sony erreicht, war ein enormer Vorteil, auf dem die gesamte optische Konstruktion des kompakten F1.2-Objektivs fußt.
Mit der von Sony entwickelten Technologie zur Simulation chromatischer Aberrationen optimierten wir die Kombination der Glaswerkstoffe, um chromatische Aberrationen und Farbstreuung deutlich zu reduzieren und trotz der großen Blende die G Master typischen hohen Werte bei Auflösung und Kontrast zu erreichen.
Beim Blick auf ein Objektivkonfigurationsschema können optische Konstrukteure unter Umständen denken, dass ein Element nicht viel zur Korrektur von Abweichungen beiträgt (lacht). Mein Ziel als Ingenieur ist eine möglichst effiziente Abweichungskorrektur mit möglichst wenig Linsenelementen – also ein möglichst kompaktes Objektiv mit hoher optischer Leistung. Wie im Konfigurationsschema des FE 50 mm F1.2 GM oben zu sehen, gibt es keine Verschwendung und keine Kompromisse. Die Krümmung aller Linsenelemente wurde genau auf ihren Beitrag zur Abweichung hin geprüft. Ich hoffe, dass die Kombination aus Kompaktheit und optischer Leistung dieser ultimativen optischen Konstruktion überzeugen kann.
Die einzigartigen (extrem asphärischen) XA-Linsen von Sony
MTF-Diagramm
[1] Kontrast (%) [2] Abstand von der optischen Mitte des Objektivs (mm) [3] Max. Blende [4] Blende F8 [5] Raumfrequenz [6] 10 Linienpaare/mm [7] 30 Linienpaare/mm [8] Radiale Werte [9] Tangentiale Werte
Atemberaubend weiches, tiefes Bokeh mit dem F1.2 G Master
Kikuchi: F1.2-Objektive bieten ein tiefes Bokeh. Bei diesem Objektiv ging es aber nicht nur um die Quantität, sondern auch um die G Master typische perfekte weiche, sanfte Qualität des Bokeh. Insbesondere bei Porträts hat das Bokeh die zentrale Funktion, das Motiv natürlich hervorzuheben. Bokeh ist eine äußerst sinnliche Sache, die technisch schwer greifbar ist. Aber wir wussten, dass wir es schaffen mussten, wenn wir die Erwartungen an ein F1.2 G Master erfüllen wollten.
Fast ab Entwicklungsbeginn simulierten und justierten wir das Bokeh immer wieder, um die perfekte asphärische Abweichung zu finden, bei der wir Bokeh und Auflösung zusammen ohne Abstriche beim einen oder anderen optimieren konnten.
Zusätzlich wird der Abstand der Elemente in der Fertigung zur genauen Steuerung der sphärischen Abweichung Linse für Linse justiert. So wird das schwierige Gleichgewicht zwischen Vordergrund und Hintergrund erreicht, bei dem ein ästhetischer Gesamteindruck entsteht.
Ich sagte bereits etwas zur Auflösung bei der Fertigung von XA-Linsen – das Management der Oberflächenpräzision bis in den Submikronbereich eliminiert außerdem Streifen oder „Zwiebelringe“ bei rundem Bokeh.
XA-Linsen: Oberflächenpräzision bis auf 0,01 Mikrometer genau
[1-1] Herkömmliche asphärische Linsenoberfläche [1-2] Unerwünschtes Bokeh-Ergebnis [2-1] XA-Linsenoberfläche (extrem asphärisch) [2-2] Ästhetisches Bokeh
Leiter mechanische Konstruktion/Yuichiro Takata
Takata: Das weiche, ästhetische Bokeh wird durch die zirkulare Blende mit 11 Lamellen erreicht. Die Blendeneinheit wurde neu mit einer zirkularen Form entwickelt, die auch noch zwei Stufen unter der größten Blendenöffnung nahezu perfekt rund ist.
Da F1.2 eine große Blendenöffnung ist, wären die Blendenlamellen bei einer konventionellen Konstruktion ebenfalls groß. Bei großer Blendenöffnung müssen diese großen Lamellen an eine Position außerhalb des Strahlengangs und des effektiven Durchmessers bewegt werden. Das vergrößert den Außendurchmesser des Objektivs. Um die Blendeneinheit möglichst klein zu halten, mussten wir die gesamte Konstruktion von der Form der Lamellen bis zum Antriebsmechanismus Komponente für Komponente von Grund auf neu entwerfen.
Die Blendeneinheit ist von entscheidender Bedeutung für Blendenwert und Belichtung. Je kleiner ihre Komponenten, desto präziser müssen diese bearbeitet und zusammengesetzt werden. Mit einer gründlichen Prüfung des Bearbeitungs- und Montageprozesses konnten wir zugleich die Größe reduzieren und die Genauigkeit erhöhen.
Blendeneinheit
Zirkulare Form selbst bei Abblendung um zwei Stufen
Schlüssel zur Verkleinerung: Linearantriebe
Takata: Um beim Autofokus eine hohe optische Leistung zu erreichen, mussten die Teams für mechanische und softwarebasierte Steuerung eng zusammenarbeiten.
Wie gesagt: Für eine hohe Leistung über den gesamten Fokusbereich waren zwei Fokusgruppen mit mehreren Elementen nötig. Mit dem großen Durchmesser des F1.2-Objektivs wurden die Fokusgruppen unvermeidlich schwerer. Schwere Fokusgruppen bringen komplexe Probleme bei der Fokussiergeschwindigkeit mit sich und verursachen mehr Geräusche und Vibrationen, wenn sie angetrieben werden.
Die Frage war, wie sich Auflösung und Bokeh ohne Abstriche bei der Autofokusgeschwindigkeit in Perfektion beibehalten ließen. Die Lösung für dieses Objektiv bestand darin, für den Antrieb die von Sony entwickelten XD-Linearmotoren mit Direktantrieb zu nutzen.
Autofokus und mechanisches Design
Ultragenauer High-Speed-Autofokus auch bei F1.2
Takata: Die größte Hürde für einen leistungsstarken Autofokus für das F1.2-Objektiv war die ultragenaue Fokussierung, die für eine geringe Tiefenschärfe erforderlich ist.
Auch bei einer maximalen Blende von F1.2 lässt sich ein Objektiv nur bei ausreichender Autofokusgenauigkeit und Tracking-Leistung als „bedienfreundlich“ bezeichnen. Technisch ist das allerdings sehr schwer zu realisieren. Bei diesem Objektiv kommen Technologien und Verfahren zum Einsatz, die auch bei der sehr geringen Tiefenschärfe bei F1.2 eine ultragenaue High-Speed-Autofokusleistung gewährleisten. Entscheidend sind dafür vier Merkmale: die Floating-Fokuskonstruktion, die XD-Linearmotoren, die vier Fokuspositionssensoren und das optimierte Gleichgewicht der Schwerpunkte der beiden Fokuslinsengruppen.
Die Floating-Fokuskonstruktion verbessert nicht nur die optische Leistung – die Teilung in zwei Fokusgruppen macht die Gruppen außerdem jeweils leichter und sorgt so für einen schnellen, präzisen Autofokusantrieb.
Um bei F1.2 die volle Auflösung zu erreichen, ist wiederum eine sehr genaue Fokussierung durch die präzise synchronisierte Bewegung der beiden Fokuslinsengruppen nötig, die trotz allem recht groß und schwer sind. Das ist dank der von Sony entwickelten XD-Linearmotoren möglich, die zwar klein, aber schubstark sind.
Die geringe Tiefenschärfe von F1.2 ist Fehlern gegenüber absolut intolerant. Deshalb werden die Fokuslinsengruppen über vier Positionssensoren nachgeführt, damit ihre genauen Positionen immer bekannt sind.
Um die Schubleistung der XD-Linearmotoren möglichst effizient und verlustfrei zu nutzen und die Schwerpunkte der beiden Fokusgruppen besser ausbalancieren zu können, wurde eine feste optische Gruppe dazwischen gesetzt. Das koordiniert die Schubpunkte der Motoren mit den Schwerpunkten der Fokusgruppen und sorgt auf diese Weise für eine hoch effiziente Kraftübertragung, einen möglichst geringen Schubverlust und damit einen ultragenauen, leisen High-Speed-Autofokusantrieb.
Leiter Antriebssteuerung/Yuki Mizuno
Mizuno: Ich möchte noch etwas mehr zum Fokusantrieb sagen.
Das Objektiv ist mit vier XD-Linearmotoren mit Direktantrieb ausgestattet, zwei pro Fokusgruppe.
Die Motoren wurden ausgehend von Daten aus der internen Motorentwurfssimulation von Sony entworfen. Fortschritte bei der Technologie der Motorentwurfssimulation erlauben heute die Entwicklung ultraeffizienter Motoren, die auch bei wenig Platz und unter anspruchsvollen Bedingungen zuverlässig genug Leistung liefern. Da wir Motoren mit Spezifikationen und in einer Größe entwerfen konnten, die optimal auf das Objektiv abgestimmt sind, ist es kompakt und trotzdem leistungsstark.
Schwere Fokusgruppen werden meist von Drehantrieben bewegt. Bei der Übersetzung der Drehung in eine lineare Bewegung durch die Nocken und Zahnräder geht jedoch unvermeidlich Leistung verloren. Mehr mechanische Teile verursachen außerdem Geräusche und Vibrationen.
Das war für das F1.2-Hochleistungsobjektiv, das wir uns vorstellten, zu wenig. So wählten wir die kleinen, aber leistungsstarken linearen XD-High-Speed-Motoren, die die Fokusgruppen leise und vibrationsarm direkt linear antreiben.
Da sich die Drehzahl bei linearen Motoren aber nicht absenken lässt, ist für einen ultrapräzisen High-Speed-Autofokus eine sehr gut ansprechende Steuerung nötig.
Konkret heißt das, dass die schon erwähnten vier Sensoren die Positionen der Fokusgruppen genau erkennen und diese Daten für ein hervorragendes Ansprechverhalten ultraschnell an das Steuerungssystem zurücksenden. Auch hier kommt die von Sony entwickelte Steuerungssimulationstechnologie zum Einsatz. Wir führten mehrfach umfassende Simulationen, Tests an echter Hardware und Analysen einer Vielzahl an Linsenbewegungs- und -stoppmustern durch. Die Feinabstimmung zum Abschluss erreichte eine für dieses Objektiv optimierte leichtgängige Antriebsbewegung bei Beschleunigung und Verzögerung.
Sie reduziert Geräusche und Vibrationen durch den Antrieb zudem so stark, dass das Objektiv sich gar nicht zu bewegen scheint. Die XD-Linearmotoren werden per Software gesteuert, um die maximale Geschwindigkeit und Reaktionsfähigkeit des Autofokus zu gewährleisten. So ist uns ein kompaktes Objektiv mit herausragender optischer Leistung gelungen.
Ein Objektiv aus der klaren Vision von Sony für die Kameras der Zukunft heraus
Kikuchi: Ich möchte etwas dazu sagen, wie dieses F1.2-Objektiv die Kamerafunktionen voll nutzt. Sony konzipiert alle wesentlichen Komponenten von der Geräteebene aus, den Bildsensor eingeschlossen, damit Kameras und Objektive intern zusammen als Gesamtsystem entwickelt werden. Bei Wechselobjektiven berücksichtigen wir auch zukünftige Kameraentwicklungen, damit die Objektive auch deren Leistung maximal ausschöpfen können.
Natürlich passt dieses Objektiv perfekt zu der im Januar 2021 angekündigten neuen α1 mit Serienaufnahmen mit 30 BpS und hochauflösenden 8K und 4K 120p-Videoaufnahmen. Aber wir haben auch versucht, zukünftige Kameratrends vorzugreifen. Unser Ziel sind Konstruktionen, die nicht nur heute, sondern auch in Zukunft maximale Leistung liefern.
Zuverlässigkeit und Bedienfreundlichkeit
Keine Abstriche bei der Bedienbarkeit
Takata: Wir sind bei der Entwicklung dieses Objektivs auch bei der Bedienbarkeit keine Kompromisse eingegangen, denn es soll sich für den Profi-Bereich eignen.
So befinden sich zum Beispiel sowohl oben als auch seitlich an dem kompakten Objektivgehäuse anpassbare Fokushaltetasten, damit sich das Objektiv bei Aufnahmen in vertikaler Position wie z. B. Porträts identisch wie in horizontaler Position bedienen lässt.
Mizuno: Bei der Entwicklung des F1.2 haben wir auch auf die Möglichkeit zur manuellen Fokussierung und insbesondere auf Lage, Drehkraft und Handhabung des Fokusrings beim Drehen geachtet. Der manuelle Fokus des Objektivs spricht linear und damit direkt auf den Fokusring an. So ist für eine präzise Fokussierung gesorgt, die auch auf kleinste Bewegungen am Fokusring reagiert. Bei F1.2 ist eine äußerst hohe Positionsgenauigkeit gefragt. Auch darauf haben wir bei diesem Objektiv geachtet.
Ausreichend robust für den Profi-Einsatz
Kikuchi: Das Objektiv ist gut vor Schmutz, Staub und Spritzwasser geschützt, sodass Benutzer es ohne Weiteres fast überall einsetzen können.
Die schmutzabweisende Fluorbeschichtung der vorderen Linse lässt sich leicht von Verunreinigungen und Fingerabdrücken reinigen.
Mizuno: Wir haben auch Schwankungen der Umgebungstemperatur berücksichtigt. Die Eigenschaften der mechanischen und elektrischen Komponenten wie die Schubkraft der Antriebe schwanken je nach Umgebung und Temperatur. Das Objektiv ist mit Software ausgestattet, die mit der eigenständigen Berechnung einer Reihe von Steuerungsparametern kontinuierlich die Leistung optimiert und so auch unter anspruchsvollen Bedingungen die Genauigkeit gewährleistet.
Benutzer können sich daher auch in rauen Umgebungen wie z. B. bei großer Kälte oder Hitze auf eine hohe Leistung verlassen.
Endlich da: ein völlig neues F1.2-Objektiv
Kikuchi: Ich übertreibe nicht, wenn ich als Optikkonstrukteur dieses Objektiv mit seiner unübertroffenen Auflösung und dem herausragenden Bokeh als Krone der G Master Series bezeichne. Ich bin gespannt auf den Moment, wenn unsere Kunden das ästhetische Bokeh und die hohe Auflösung des F1.2 erleben.
Trotz der großen Blende des F1.2 sind Kompaktheit, Leistung und einige Aspekte, die sich nicht auf die technischen Daten reduzieren lassen, bei diesem Objektiv optimal aufeinander abgestimmt. Kunden sollten es mit eigenen Augen erleben. Als Objektivkonstrukteur wünsche ich mir, dass dieses Objektiv mit dem vollen Spektrum der Technologien von Sony vielseitig eingesetzt wird.
Mizuno: Dieses vielseitige Objektiv eignet sich vom Amateur bis zum Profi für verschiedenste Benutzer und Bedingungen. Ein solches F1.2 gab es noch nie. Es eignet sich nicht nur hervorragend für Motive wie Porträts und Hochzeiten – der leistungsstarke Autofokus hält auch flüchtige Momente und Bewegtbilder wie z. B. bei Sportveranstaltungen zuverlässig fest.
Takata: Dieses kompakte F1.2-Objektiv eignet sich auch hervorragend für Videoaufnahmen. Ob handgeführt oder mit Gimbal: Der leistungsstarke Autofokus verfolgt Motive auch bei der geringen Tiefenschärfe des F1.2 zuverlässig. Mit dem leisen Autofokusbetrieb und der hohen Lichtstärke ist es in Kombination mit dem leichtgängigen, präzisen, reaktionsschnellen manuellen Fokusring auch für Videofilmer sehr attraktiv. Ich hoffe auf neue Formen des visuellen Ausdrucks bei Videos.
Dieses Objektiv verkörpert mit seinen neuen Aufnahmemöglichkeiten den Wert und das Potenzial der G Master Series.
FE 50mm F1.2 GM