Jak obiektyw 100 mm F2.8 MACRO stał się najmniejszym i najlżejszym obiektywem makro na świecie*
Witam wszystkich. Jesteśmy zespołem twórców obiektywu LUMIX S 100 mm F2.8 MACRO.
Z przyjemnością przedstawiamy obiektyw LUMIX S 100 mm F2.8 MACRO — pierwszy obiektyw makro 1:1 w pełnoklatkowej serii LUMIX S.
Jest to również najmniejszy i najlżejszy* obiektyw makro w swojej klasie. Przy całkowitej długości wynoszącej w przyb. 82,0 mm i wadze około 298 g, obiektyw ten osiąga rozmiar stanowiący blisko połowę rozmiaru konwencjonalnych obiektywów makro pełnoklatkowych. Użytkownicy obiektywów marki LUMIX rozpoznają go po rozmiarach podobnych do obiektywów serii F1.8.
W tym artykule przyjrzymy się technicznym podstawom, dzięki którym powstała ta najmniejsza i najlżejsza* konstrukcja na świecie, rozważaniom optycznym dotyczącym obiektywu oraz najważniejszym cechom podkreślonym przez zespół jego twórców.
Spis treści
◼ Inspiracja stojąca za koncepcją „kompaktowego i lekkiego obiektywu makro”
◼ Dwufazowy silnik liniowy, który umożliwił stworzenie tej najlżejszej konstrukcji
◼ Wyzwanie związane z zastosowaniem trzech soczewek asferycznych
◼ Członkowie zespołu twórców dzielą się swoimi ulubionymi cechami charakterystycznymi
◼ Luksusowy obiektyw makro przewyższający serię obiektywów F1.8
Inspiracja stojąca za koncepcją „kompaktowego i lekkiego obiektywu makro”
Yoshikawa (zespół ds. projektowania mechanicznego)
Jak pokazano w planie rozwoju obiektywów marki LUMIX, rozważano już opracowanie obiektywu makro o ogniskowej 100 mm. W związku z tym zespół programistów przeprowadził obszerne wewnętrzne dyskusje na temat tego, jak osiągnąć ten cel.
W tym czasie obiektywy stałoogniskowe serii F1.8 były wypuszczane jeden po drugim, otrzymując pozytywne opinie od użytkowników. Zaczęto rozmawiać o stworzeniu czegoś, co w ramach głównej oferty będzie miało rozmiary zbliżone do obiektywów serii F1.8.
Jednakże seria F1.8 jest tak popularna, ponieważ wszystkie obiektywy mają taką samą średnicę i taką samą długość całkowitą. Gdybyśmy mieli stworzyć coś, co nie byłoby identyczne, a jedynie podobne pod względem rozmiaru, zastanawialiśmy się, czy nie będzie to odbiegać od pierwotnej koncepcji. To był dylemat, przed którym staliśmy.
Powstało więc pytanie: w jaki sposób moglibyśmy stworzyć obiektyw makro o takim samym rozmiarze jak obiektywy serii F1.8? Eksploracja tej idei oraz opracowanie projektu i procesu rozwoju niezbędnego do jej realizacji doprowadziły do stworzenia tego obiektywu.
Na wczesnym i środkowym etapie prac rozwojowych skupiliśmy się na założeniu, że chociaż uda nam się dopasować średnicę obiektywu, całkowita jego długość będzie musiała być nieco większa; w przeciwnym razie trudno byłoby ten cel zrealizować. Mimo wszystko mieliśmy przeczucie, że prędzej czy później ktoś nam powie, że „musimy zrobić go tej samej wielkości co obiektywy serii F1.8” (wpada w śmiech).
Celem dopasowania do serii F1.8 było zmniejszenie całkowitej długości o 40% w porównaniu z produktami konkurencji.
Mimo że ogólne rozwiązanie problemu zmniejszenia rozmiarów zostało już znalezione, cały zespół zdawał sobie sprawę, że zanim obiektyw ten trafi na rynek, trzeba będzie stawić czoła jeszcze wielu poważnym wyzwaniom.
Kluczowym punktem było dostosowanie tego obiektywu do obiektywów serii F1.8 pod kątem rozmiaru. Mieliśmy wrażenie, że powiększenie całkowitej długości nawet o pięć milimetrów znacznie zmniejszy złożoność projektu, ale postanowiliśmy jednak osiągnąć nasz pierwotny cel z korzyścią dla naszych klientów.
Pięć milimetrów może wydawać się niewielką różnicą, ale pod względem projektowym zapewnia dużą swobodę działania. Mimo że schemat konstrukcyjny wydaje się pokazywać pustą przestrzeń, wnętrze jest ciasno wypełnione komponentami, łącznie z mechanizmem podwójnego ogniskowania, który umożliwia pełen zakres ruchu.
Dwufazowy silnik liniowy, który umożliwił stworzenie tej najlżejszej konstrukcji
Podczas gdy poprzednie obiektywy wykorzystywały silniki z cewką ruchomą (VCM), nowy obiektyw 100 mm F2.8 MACRO ma dwufazowy silnik liniowy.
Zarówno silnik VCM, jak i dwufazowy silnik liniowy wykorzystują regułę lewej ręki Fleminga, zgodnie z którą siła powstaje, gdy prąd przepływa przez przewodnik w polu magnetycznym. W konwencjonalnym silniku VCM rozmieszczenie magnesów powodowało, że siłę ciągu mogła wytworzyć tylko część cewki. W rezultacie, przy próbie przesunięcia dużego elementu soczewki, konieczne było zastosowanie wielu silników VCM ze względu na niewystarczającą siłę, zwiększający rozmiar i wagę obiektywu.
Dwufazowy silnik liniowy rozwiązuje ten problem, wykorzystując wielobiegunowe magnesy, co pozwala na wykorzystanie niemal całej cewki do generowania momentu siły.
Ponadto wykorzystuje on unikalną konfigurację, w której magnesy są umieszczone naprzeciw siebie po obu stronach cewek dwufazowych. Dzięki zastosowaniu technologii sterowania, która przełącza między dwiema cewkami zależnie od ich położenia, podczas dostarczania prądu, silnik może pracować płynnie i nieprzerwanie w całym swoim zakresie.
Konwencjonalny silnik VCM: Istnieje tylko jedna sekcja generująca siłę, pokazana na czerwono, co skutkuje niską wydajnością
Silnik liniowy dwufazowy: Magnesy są wielobiegunowe, co pozwala na efektywne generowanie siły
Dzięki temu siła wyjściowa jest około trzy razy większa niż w przypadku konwencjonalnych obiektywów o tym samym rozmiarze, co przekłada się na kompaktową i lekką konstrukcję.
Jeśli chodzi o konstrukcję obiektywu, konwencjonalny silnik VCM waży około 80 g, natomiast dwufazowy silnik liniowy waży zaledwie 29 g. Dzięki samej zmianie silnika udało się zmniejszyć wagę o ponad 50 g.
Znaczne zmniejszenie silnika pozwoliło na uproszczenie konfiguracji konstrukcji tubusu optycznego, co w dużym stopniu przyczyniło się do zmniejszenia średnicy i wagi obiektywu.
Jednym z powodów, dla których całkowita waga urządzenia wynosi mniej niż 300 g (298 g), jest zastosowanie dwufazowego silnika liniowego. Może to jednak spodobać się tylko tym, którzy zwracają uwagę na każdy gram (zaczyna się śmiać).
Podłoże rozwoju dwufazowego silnika liniowego
Fujinaka (zespół ds. rozwoju dwufazowych silników liniowych)
Około dwadzieścia lat temu zdarzyło mi się pracować w dziale rozwoju silników firmy Panasonic, gdzie moim zadaniem było tworzeniem nowych typów silników.
Ze względu na moje doświadczenie w tej dziedzinie, już jakiś czas temu pojawił się w mojej głowie pomysł, że konwencjonalne silniki VCM można zmniejszyć poprzez ich multipolaryzację.
Było to dla mnie jasne, ale zanim udało się tę technologię wdrożyć w produkcie, musiało nastąpić wiele zwrotów akcji.
Gdy rozpoczęto prace rozwojowe nad serią S, która oznaczała wejście firmy LUMIX na rynek aparatów pełnoklatkowych, jednym z celów było umożliwienie sterowania podzespołami odpowiedzialnymi za ostrość obrazu, w tym obiektywem, z siłą kilkakrotnie większą niż w przypadku konwencjonalnych konstrukcji. To właśnie na tym etapie po raz pierwszy zaproponowałem technologię, która stała się podstawą dwufazowego silnika liniowego.
Następnie udoskonaliliśmy podstawowe technologie dwufazowego silnika liniowego, w tym techniki minimalizujące wahania siły poprzez udoskonalenie kształtów cewek i rozmieszczenie magnesów po obu stronach cewki. Patenty na te technologie zostały zarejestrowane w Japonii i USA w 2023 roku.
Moje wcześniejsze doświadczenie w rozwoju silników odegrało znaczącą rolę w tym projekcie.
Jednak zanim technologię tę udało się zintegrować z produktami, konieczne było pokonanie wielu przeszkód. Obejmowało to nie tylko zaprojektowanie samego silnika, ale także opracowanie technologii sterowania niezbędnej do jego pracy z dużą prędkością, precyzją i cichością.
W tym czasie firma Panasonic wprowadzała na rynek nowe aparaty i obiektywy marki LUMIX, co znacznie utrudniło opracowanie nowych systemów sterowania.
Mówiąc wprost, chociaż prototyp dwufazowego silnika liniowego został ukończony, przez lata nie udało nam się opracować technologii sterowania niezbędnej do działania produktu. Prototyp, który wtedy stworzyliśmy, leżał nietknięty przez ponad dwa lata (uśmiecha się).
Kiedy zapadła decyzja o wprowadzeniu na rynek obiektywu 100 mm F2.8 MACRO, wierzyłem, że dwufazowy silnik liniowy to jedyne rozwiązanie pozwalające na uzyskanie kompaktowej i lekkiej konstrukcji. Przekonałem swoich przełożonych, żeby pozwolili mi zaangażować się w prace nad systemem sterowania, dzięki czemu moglibyśmy wprowadzić taki obiektyw na rynek.
Przekrój dwufazowego silnika liniowego
W rezultacie mogliśmy potwierdzić, że prototyp, który nie był używany przez prawie dwa lata, można teraz kontrolować bez problemów, a jego wydajność jest niemal dokładnie taka, jak zaprojektowano.
Chociaż rozwój technologiczny osiągnął wreszcie poziom, na którym można go wdrożyć w produkcie, pojawiło się kolejne wyzwanie. Mówiąc wprost, była to kwestia kosztów.
Chociaż konwencjonalne silniki VCM są większe i cięższe od dwufazowych silników liniowych, ich wydajność jest dobrze udokumentowana i są szeroko stosowane w produktach. Powstaje pytanie, czy powinniśmy teraz inwestować we wdrażanie tych nowych silników w najnowszych produktach, pomimo dodatkowych kosztów.
Obawy dotyczące kosztów wynikały z różnych źródeł: zwiększonej liczby magnesów potrzebnych do silnika, wzrostu wydajności programu mikrokontrolera, co skutkowało wyższymi kosztami materiałów, a także kosztów rozwoju związanych z integracją nowej technologii sterowania w mikrokontrolerze.
Te różne czynniki wzbudziły obawy o potencjalny wzrost kosztów i, szczerze mówiąc, pojawiły się głosy sprzeciwiające się temu pomysłowi.
Jednak dzięki wielokrotnemu wyjaśnianiu zespołowi wartości dodanej produktu, która będzie wynikiem wdrożenia tej technologii, i angażowaniu się w różne negocjacje, takie jak rozmowy z dostawcami materiałów na temat redukcji kosztów, ostatecznie uzyskaliśmy zgodę odpowiednich osób. Dzięki temu udało nam się wprowadzić ten obiektyw do masowej produkcji. To było naprawdę trudne (wybucha śmiechem).
Ostatecznie udało nam się wyposażyć obiektyw 100 mm F2.8 MACRO w dwufazowy silnik liniowy, co pozwoliło na zmniejszenie jego rozmiaru i wagi. Uważam, że znacząco zwiększyło to wartość dodaną tego kompaktowego i lekkiego obiektywu makro, co jest jego największą zaletą.
Wyzwanie związane z zastosowaniem trzech soczewek asferycznych
Suzuki (zespół ds. projektowania optycznego)
Zastosowanie trzech soczewek asferycznych w kategorii makroobiektywów średniego zasięgu było dość trudnym zadaniem.
Zazwyczaj obiektywy z tej kategorii nie posiadają żadnych elementów asferycznych lub posiadają tylko jeden. Ponieważ jednak projektowanie opierało się na założeniu osiągnięcia „rozmiaru obiektywów serii F1.8”, uznaliśmy, że bez zastosowania soczewek asferycznych niemożliwe będzie zrealizowanie obiektywu 100 mm F2.8 MACRO.
Aby uzyskać obiektyw makro, który jest kompaktowy, a jednocześnie zapewnia bezkompromisową jakość obrazu, niezbędne były trzy soczewki asferyczne.
Układ elementów obiektywu wewnątrz korpusu ma na celu przede wszystkim korygowanie aberracji optycznych. Mimo że zapewne widzieliście przekrój poprzeczny obiektywu zawierającego zarówno soczewki wypukłe, jak i wklęsłe, konstrukcja takiego obiektywu byłaby tak zwarta, że połączenie tych elementów było niemożliwe. Aby zachować wydajność przy jednoczesnym umieszczeniu wszystkich elementów wewnątrz korpusu, zastosowaliśmy elementy asferyczne w wydajnej konstrukcji.
Ponadto, gdy osoby znające się na aparatach fotograficznych usłyszą, że zastosowano trzy soczewki asferyczne, mogą spodziewać się wyraźnego bokeh w formie pierścieniowych linii, znanego również jako bokeh cebulowe.
Jednak obiektyw 100 mm F2.8 MACRO został zaprojektowany tak, aby zminimalizować ten efekt, opierając się na technologii rozwijanej przez lata przez markę LUMIX. Dzięki temu możemy w pełni wykorzystać zalety soczewek asferycznych i osiągnąć kompaktowość oraz wysoką jakość obrazu.
Mówiąc o naszej firmie, poświęciliśmy wiele lat na rozwój kompaktowych obiektywów stałoogniskowych i udoskonalanie technologii soczewek asferycznych. Po gruntownej analizie ryzyka wystąpienia efektu bokeh w postaci linii pierścieniowych przy stosowaniu elementów asferycznych w obiektywach makro doszliśmy do wniosku, że nasze obecne możliwości techniczne pozwalają na pokonanie tego wyzwania. To właśnie utwierdziło nas w decyzji o zastosowaniu w tym modelu kompaktowych rozmiarów.
Członkowie zespołu twórców dzielą się swoimi ulubionymi cechami charakterystycznymi
Jego kompaktowe rozmiary są oczywiste, ale jest kilka innych godnych uwagi cech. Oto krótki przegląd:
[1] Zmniejszone „oddychanie” obiektywu
Podczas ustawiania ostrości w zakresie makro, w przypadku typowych obiektywów, zwykle występuje niewielka zmiana kąta widzenia (tzw. „oddychanie obiektywu”). Jednak obiektyw 100 mm F2.8 MACRO został zaprojektowany tak, aby zminimalizować ten efekt. Dzięki temu nie będzie już konieczności zmiany położenia statywu po ustawieniu ostrości w celu dostosowania kompozycji.
[2] Miękkie rozmycie tła
Jak wspomniano wcześniej, użycie trzech soczewek asferycznych może zwiększyć prawdopodobieństwo wystąpienia aberracji optycznych i zniekształceń na obrazie. Uwzględniliśmy jednak te kwestie podczas projektowania obiektywu, tak aby uzyskać możliwie najdelikatniejszy efekt bokeh.
[3] Zaktualizowany pierścień ostrości
Chociaż obiektyw ten ma taki sam design jak obiektywy serii F1.8, pierścień regulacji ostrości został specjalnie unowocześniony pod kątem fotografii makro. Podczas korzystania z ręcznego ustawiania ostrości za pomocą obiektywu makro, szczególnie w trybie liniowym MF, uzyskanie dokładnej ostrości wymaga bardzo precyzyjnej regulacji. Przy zastosowaniu pierścieniowej struktury w konwencjonalnej serii F1.8 nawet niewielkie ruchy mogą spowodować zauważalną zmianę ostrości. Z tego powodu pierścień regulacji ostrości został przeprojektowany, aby umożliwić znacznie dokładniejszą kontrolę nad zmianą ostrości.
[4] Nieco bardziej szare napisy
Kolor informacji o obiektywie wydrukowanej na jego powierzchni zmienił się z białego na lekko szary. Zmianę tę wprowadzono po raz pierwszy w obiektywie LUMIX S 14–28 mm F4–5.6 MACRO. Ponieważ fotografia makro 1:1 i szerokokątna często wymagają fotografowania bardzo blisko obiektu, takie dostosowanie pomaga zapewnić, że wydrukowane oznaczenia będą rzadziej widoczne jako odbicia obrazu na obiekcie.
[5] Kompaktowy, ale wyposażony w przełącznik wyboru odległości
Dodanie przełącznika po określeniu całkowitego rozmiaru było dość trudne, zwłaszcza że umieszczenie przełącznika trójpozycyjnego wymagało znacznego wysiłku kreatywnego. Chociaż zamontowanie prostego przełącznika dwupozycyjnego do pełnego zakresu i makro byłoby proste, zdecydowaliśmy się na przełącznik trójpozycyjny, aby umożliwić fotografowanie różnych obiektów, na przykład portretów. Dzięki temu możliwe jest przełączanie między nieskończonością a 0,5 metra. Zintegrowanie przełącznika i jego oznaczeń z tym zewnętrznym profilem stanowiło nie lada wyzwanie.
Luksusowy obiektyw makro przewyższający obiektywy serii F1.8
Mimo że koncepcja zakładała obiektyw makro o tym samym rozmiarze co obiektywy serii F1.8, zespół jego twórców uważa, że wewnętrzna konstrukcja jest zupełnie inna.
Poprzednie obiektywy z serii F1.8 nie nadawały się szczególnie do fotografii makro i wielu artystów wyrażało zapotrzebowanie na obiektyw, który mógłby ustawiać ostrość jeszcze bliżej.
Czujemy się zatem naprawdę szczęśliwi, że udało nam się opracować ten obiektyw makro 1:1, zachowując jednocześnie unikalny przepływ pracy i łatwość obsługi charakterystyczne dla obiektywów serii F1.8.
Ciesz się mobilnością najmniejszego i najlżejszego* obiektywu makro na świecie i bezstresową fotografią makro!