松下全画幅首款ACE镜头设计大揭秘!

大家好。这是深入研究LUMIX镜头的连载系列 光学设计部。在“光学设计部”中,我们的设计人员将为大家介绍镜头设计的解读和特点,分享一些在说明书上看不到的细节和想法。



对于正在考虑购买镜头的朋友,我们希望大家能够更好的了解LUMIX镜头的设计理念;对于已经拥有LUMIX镜头的用户,我希望大家能通过拍摄体验到这些镜头背后不为人知的细节和用心。敬请期待!这是一篇由开发者撰写的文章,里面可能会使用许多专业术语来解读镜头。相信大家读完之后,也会对你的镜头有更深的了解。第一期的主角是LUMIX S PRO 50mm F1.4,项目负责人是铃木。


制作LUMIX标准镜头



2019年,我们推出首款配备35mm全画幅图像传感器的无反相机“DC-S1R (S1R) ”和“DC-S1”时,推出了第一批3款镜头“LUMIX S 24-105mm F4 MACRO O.I.S.”,“LUMIX S PRO 70-200mm F4 O.I.S.”和“LUMIX S PRO 50mm F1.4 (以下,简称50mmF1.4)”。


其中,50mmF1.4光学设计的使命是成为“LUMIX全画幅系列标准镜头”。标准镜头作为参考镜头,机身的图像质量设计也是通过它来确定的。那么首先我将为大家介绍我用什么作为我的标准?我是从哪些角度思考问题的。


标准镜头应具备的条件


我将 LUMIX 标准镜头定义为 “能够真实地描绘摄影师所看到的场景”,之后我对设计图进行了整合,并考虑了以下三个关键指标:


①分辨率表现:真实地描绘被摄体的细节

②虚化效果:虚化不软不硬,真实,没有侧重

③低色差:忠实再现被摄体的颜色


我们认为完成这3项设计初衷,我们便能得到一款优秀的LUMIX标准镜头。


毫不妥协的图像质量 – 高解析力


关于解析力性能,S1 系列本身主要面向专业人士,因此必须不折不扣地实现最高画质,不仅是相机,镜头也是如此。


因此,我们为自己设定的目标是实现在松下最高的分辨率性能,不仅要超越我们过去开发的M43镜头,还要比对现有标准焦段的大光圈镜头,我们在开发镜头的过程中比较了各种镜头的拍摄效果,并听取了专业摄影师的意见。


我是一个非常喜欢钻研的人,因此我对镜头进行了大量的评估,以至于在看到几幅镜头设计图的时候,脑海中就会浮现出各种镜头的像差形状。因此,当我们决定采用这种设计方案时,我的脑海中便立即浮现出了能够实现这种设计的造型。


与 50 mm F1.4 同期开发的 S1R 具有高分辨率模式,可在移动传感器时自动连续拍摄八张照片,并利用机身图像稳定(B.I.S.)装置在相机中进行自动合成处理。因此这款镜头需要满足这1.87亿像素的拍摄。1.87 亿像素的分辨率也意味着,镜头必须确保比正常拍摄状态下更高的 MTF非球面镜片是保证这种高频MTF的重要关键部件。非球面镜片在校正像差方面非常有效,但如果过于依赖非球面镜片,对形状误差的敏感度就会过高,这是一把双刃剑,可能导致制造过程中单个产品之间的性能差异。


在设计 50 mm F1.4 时,我们力求在设计性能和制造工艺之间找到最佳平衡点,以充分发挥非球面镜片的效果。为此,我们与长期负责镜片制造的山形工厂非球面部门进行了激烈的讨论。



LUMIX山形工厂


事实上,当设计进入最后阶段,我们决定采用这种设计方案时,非球面结构被置于前球的第三位。


这是一个非常关键的部件,毫不夸张地说,它是实现理想画质的最重要部件,但经过与山形工厂非球面部门的讨论,我们最终达成了一个设计方案,即从被摄体一侧算起,将非球面结构置于第四位才是镜头这颗镜头的平衡点。


虽然是在最后一刻才做出的改变,但整个开发团队还是及时完成了设计变更,因为我们非常希望能够获得令人满意的画面效果。


因此,在对镜头进行评估时,我们不仅确保了在 30 lp/mm 时的性能(如目录中公布的 MTF),还确保了在高频抖动下的性能,以承受高分辨率模式,并实现了适合作为参考镜头的分辨率性能。



散景表现的追求


突出主体的背景虚化效果


尽管我们在设计M43镜头时已经积累了大量虚化效果的知识,但我们还是对各类镜头,尤其是大口径定焦镜头进行了实景评估,以便从头开始考虑虚化表现。


因此,如果柔化背景(焦点后面的散景),那么前景(焦点前面的散景)就会变得更硬,反之亦然。作为标准镜头,我们的目标是实现平坦、平滑的虚化效果,没有明显的前后散景区别。


随着背景虚化效果的使用频率越来越高,有一些人建议认为应该重点关注后散景的效果,但如果光学设计优先考虑后散景的柔和度,那么在镜头解析力就会降低,这是一种权衡。作为标准镜头,目标应该是努力做到无像差的描绘,因此决定以正常的虚化效果作为标准而进行设计。


此外,我们还仔细校正了像差(尤其是那些穿过镜头周边的像差),从远离主要拍摄对象的物体造成的大散景,再到焦内的主要拍摄对象所产生的小散景。

其最终的效果是产生了平直的虚化效果,又有高解析力,使被摄体的立体感更加突出。


忠实再现画面 - 抑制色差


作为标准镜头,需要忠实再现被摄物体的颜色,将色差抑制到极限。


在考虑色差时,我们不仅需要考虑一般的轴向色差和横向色差,还需要考虑当画面明暗亮度差异较大时(例如高亮度),紫边、伪色会很明显。尤其是拍摄诸如水面上的倒影或树荫下的物体,我们需要非常谨慎地进行光学设计,不仅是需要再对焦点内的表面进行着色,还对需要对散景进行着色。


轴向色差:焦点位置根据光的波长而移动的现象。一般来说,当色差较大时,焦点后的画面倾向于呈绿色,而焦点前的画面倾向于呈紫色。


横向色差:图像传感器的成像高度根据光的波长而变化的现象。


在选择玻璃材料时,要特别注意玻璃材料的部分色散比,这是表示短波长侧异常色散的参数。


在最初的设计阶段,我们选择了大量的玻璃材料,包括来自不同玻璃制造商的材料,首先根据桌面计算选择合适的材料,然后选择校正后的色差较低的作为基础设计方案,再进行具体的详细设计。


通过遵循这些步骤,我们能够最大限度地减少色差,而不会在产生设计完成后,出现各种像差(包括高阶像差)的副作用。


此外,一些玻璃材料是定制的,以最大限度地减少色散系数的变化,从而最大限度地减少制造变化。


对我来说,即使我认为自己拍出了一张好照片,但如果我仔细观察,发现戏水的孩子头发上的水珠出现了色差,我就会后悔光圈应该再缩小一点。但是LUMIX 50mm F1.4 具有可控色差的大光圈。


a.LUMIX S PRO 50mm F1.4背景虚化等倍照片

注重材质,通过色差处理,实现无色散的自然虚化效果

b.普通镜片背景虚化等倍照片

明显色差,虚化中可以看到色散


集各种优点于一身


堪比标准镜头的杰作


除此之外,我们还特别注重光学设计,例如在有限距离上控制图像表面特性,并进行像差校正,甚至修正了非球面像差、慧差、横向像差中的最小细节。此外,我们还开发了新的调整方法、新的检查方法并进一步对镜头进行了调整,以创造出性能更为优异的产品。


此外,在开始设计之前,我研究了所有现有大光圈镜头的表现力,包括单反、微单,包括我们公司的其他公司超过半年,并且我设计了我的目标描绘,因此它比正常的开发周期需要更多的时间是的。作为一个设计解决方案,我们设计了200多种模式,我相信开发团队可以实现对所有开发团队的令人信服的描述。


另外在开始设计工作之前,我们花了 6 个多月的时间研究了现有的全部大光圈镜头,包括我们自己和其他公司的单反镜头和无反镜头,以完善我们所追求的图像呈现效果,而这过程比通常的开发周期要长得多。作为设计方案,我们设计了 200 多个草稿,整个开发团队都期盼着我们能够完成这出人意外的作品。

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