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「G Master」の設計思想や魅力を
開発陣が解説 FE 400mm F2.8 GM OSS編

α Universe editorial team

Concept ~開発コンセプト~

α9の高速性能を最大限に引き出すAF性能を軽量かつ優れた重量バランスで実現する

プロダクトリーダー・メカ設計担当/山本 哲郎

山本:プロフェッショナル向けのミラーレス一眼カメラα9の発売により、ソニーのカメラを多くのプロスポーツフォトグラファーの方々に使っていただけるようになりました。特に、最高20コマ/秒の高速連写をはじめ、無音の電子シャッター、ブラックアウトフリーの連続撮影など、ミラーレスだからこそ実現できる新たなスポーツ写真の世界について、多くのスポーツフォトグラファーから高い評価をいただいています。一方で、スポーツの瞬間を切り取るためには、大口径の超望遠レンズの存在が欠かせません。その中でも400mm F2.8というレンズは、スポーツや報道の世界においてさまざまなシーンで多用される定番のレンズです。α9を市場に投入する上で、なくてはならないレンズとして、α9の企画段階からこのFE 400mm F2.8 GM OSSの開発も計画されていました。 フルサイズミラーレス用の超望遠レンズを開発するにあたり、多くのプロフォトグラファーの撮影現場を訪ねて超望遠レンズの使われ方を学ぶとともに、ミラーレスシステムの超望遠レンズはどうあるべきなのか、開発チーム内で議論を重ねました。α9に求められる超望遠レンズは従来の超望遠レンズと根本的に異なります。α9の最高20コマ/秒の高速性能を最大限に引き出すAF性能、α9の軽量ボディとの組み合わせで究極の振り回しやすさを実現するための軽量かつ優れた重量バランス、そして「G Master」ならではの極めて高い光学性能と美しいぼけ、これらに徹底的にこだわり、α9とともにスポーツ撮影の世界にミラーレスならではの新しい価値を提供することを目指し、開発を進めました。

Auto Focus 新開発AFへのこだわり

理想のAF性能を実現するためのアクチュエーターがない。技術開発によるブレイクスルーは、ここから始まった

アクチュエーター制御担当/阿部 兼太郎

阿部:α9の最高20コマ/秒のブラックアウトフリー撮影にも余裕で対応する、これまでにないレベルのAF性能を実現するために、このFE 400mm F2.8 GM OSSではフォーカスレンズ群を高速で動かしつつ、ボディの指示通りに寸分の狂いもなく正確に止める高い精度と応答性の良さが求められました。しかもブラックアウトフリーの状態では撮影時だけでなく、合焦に至るまでのフォーカスの挙動がすべて見えるわけですから、フォーカスレンズが違和感なく静かにかつスムースに駆動することも必要です。しかし、大口径超望遠レンズの巨大で重いフォーカス群の駆動で、そのような高速性と静粛性を高いレベルで両立できるフォーカスアクチュエーターがそもそも世の中にありませんでした。従来、このような超望遠レンズに内蔵される大型のフォーカスレンズ群の駆動には、トルクの大きい超音波モーター(SSM)を使用するのが一般的ですが、モーターのカム同士を連結して駆動させる超音波モーターでは、どうしても駆動力にロスが生まれますし、メカ部品を連結するため、駆動時に発生する音響ノイズが避けられません。 今回求められているアクチュエーターの性能は、スポーツ選手など高速かつ不規則に動く被写体を、最高20コマ/秒で高速・高精度にAF追随させるため、わずかなタイムロスも許されません。この点に加え、この先のボディの進化を見据えた場合、従来の技術の延長では応答速度に限界があると判断し、新たなアクチュエーターの開発に踏み切りました。

FE 400mm F2.8 GM OSSのために開発されたXDリニアモーター。
これまでにない高推力、高精度に加えて高い静粛性を実現している

阿部:アクチュエーター開発に際して着目したのが、速くて振動が少ない電磁駆動のリニアモーターでした。しかし、従来の技術ではこれほど重量のあるフォーカスレンズ群を動かすことは不可能でした。限られたサイズの中で目標となる大きな推力を得るには、従来の磁気回路や全体の構成を抜本的に見直す必要がありました。そこで、これまでの常識とはまったく異なる新しい磁気回路構成を発案し、フォーカスアクチュエーターの磁気効率を大幅に向上させることで、リニアモーターの限界と考えられていた重量を動かす駆動推力を実現しました。このブレイクスルーが、高い駆動推力を保ちながら振動の少ない「XD(extreme dynamic)リニアモーター」を生み出したのです。 非常に高い推力が得られた一方で、これまで予想もできなかった物理現象も起こりました。最高20コマ/秒という短い周期の中で、ミクロンオーダーの精度でレンズを止めて動かすため、レンズ位置と推力発生点のわずかなメカレイアウトのずれでもフォーカスレンズの停止精度が満足できない、という新たな課題でした。解決には高度な技術が求められましたが、磁気回路レイアウトを微調整しながらシミュレーションと試作を繰り返すことで、レンズの限られたスペースの中で、これまでは実現できなかったレベルのフォーカス精度と光学性能を引き出す最適解を導き出すことに成功しました。

相反する物理的な難問を、最先端の制御技術によって解決する

阿部:「XDリニアモーター」という新開発のハードウェアが持つ高いポテンシャルをどこまで引き出せるかがソフトウェア側の課題でした。たとえば、雪山などの低温環境下や強い直射日光の当たる高温環境下では、メカ部品や電気部品の特性が変化して、アクチュエーターの駆動力が変動してしまう可能性があります。そのため、過酷な環境下においても、周りの環境に応じて、レンズ側がさまざまな制御パラメータを自律演算し、常に最適なパフォーマンスを発揮するサーボロジックを新たに開発しました。周囲の状況で刻々と変化するアクチュエーター特性やフォーカスレンズの位置・動きなどの各パラメータを高速演算することで、どのような環境下でも最大の応答性を発揮できるようにしています。その結果、非常に過酷な低温、高温環境下の撮影フィールドにおいても高いパフォーマンスを維持できます。 もうひとつの課題が、大型のフォーカスレンズ群を高速で繰り返し駆動・停止させるため、どうしても不快な振動や音響ノイズが発生することでした。「スピードは一切落とさず、振動は抑えたい」、この相反する物理法則を解決するため、レンズ移動の軌跡をチューニングした駆動アルゴリズムを加え、静粛・低振動をソフトウェアによって実現しています。実際に使っていただけると分かるのですが、高速連写でもフォーカスレンズが中で動いているとは思えないほどです。この静粛性と振動のないスムースなフォーカシングは、実際にご使用いただいたプロフォトグラファーの方々からも「未来を感じさせる次世代レンズ」と高い評価をいただきました。また、この技術によって動画撮影時においても非常にスムースなAF動作を実現できています。

FE 400mm F2.8 GM OSS @Bob Martin
スポーツ選手の激しい動きも軽量レンズと瞳AF機能の組み合わせで確実にピントを捉えることが可能。新開発のXDリニアモーターと新AF制御により実現した新しい撮影体験

山本:ソニーはイメージセンサーを自社開発しており、将来のセンサー進化の方向性も把握しています。今回、新規開発した「XDリニアモーター」は、現在のα9だけでなく、ボディの進化も視野に入れて高いポテンシャルを持たせた設計にしています。特に超望遠レンズはライフサイクルが長いため、α9で100%の性能を発揮するだけでは不十分で、将来のボディの性能も100%引き出せる必要があります。ハードウェアも制御アルゴリズムもゼロからの開発となりましたが、関わったエンジニアの徹底的なこだわりと、ボディとレンズの双方をデバイスレベルから社内で設計している強みを生かし、10年先まで第一線で活躍できるAFシステムを実現しました。

Optical Design 光学設計のこだわり

かつてない解像性能と軽量化を両立した新しい光学設計

光学設計担当/金高 文和

金高:「G Master」として非常に高いレベルの解像力と美しいぼけを実現しながら、製品コンセプトである軽量性と高速のAF性能を両立させるため、新たな光学設計を開発する必要がありました。α9の軽量ボディと組み合わせたときの重量バランスの良さと振り回しやすさを実現するため、光学エレメントの構成や配置を一から見直しました。一般的に、超望遠の光学エレメントはその重量の約8割を前側のレンズが占めているため、この前側のレンズをどれだけ軽量化できるかが設計における大きなポイントでした。高解像でありながら軽量という難題に対して、ベストな光学設計を探すため、さまざまな光学パターンを検討しながらシミュレーションを重ねました。

レンズ前側に効果的に配置されている蛍石レンズ

金高:最終的にたどり着いたのが、断面図のように1枚目と2枚目のレンズ間隔を広くとった従来とはまったく異なる新しい光学設計でした。2枚目以降のレンズ径を大幅に小さくすることで劇的な軽量化を実現しています。その上で、前側のレンズには色収差に抜群の効果があり、光学ガラスに比べて比重が軽い「蛍石レンズ」3枚をはじめとするエレメントを効果的に配置することで、大口径望遠レンズで発生しがちな軸上色収差を徹底的に補正しました。さらに、フランジバックが短いミラーレス専用設計レンズのメリットを生かし、イメージセンサーの近くにも収差を抑えるED(特殊低分散)レンズを配置し、画面周辺の解像度の低下につながる倍率色収差を補正することで、「G Master」の中でも最も光学性能が高いものに仕上げています。MTF曲線を見てもらえれば、中心から周辺までまったくと言っていいほど解像性能が落ちていないことが分かると思います。

G1とG2の間隔を空けることで、軽量化と優れた重量バランスに貢献

金高:さらに、ナノARコーティングの採用はもちろん、逆光時に不要な光線がイメージセンサーに届かないように、鏡筒内壁のわずかな斜面角度まで調整した上で植毛加工を施すなど、抜けのよいクリアな画質が得られるように細部まで配慮しています。また「G Master」として、解像性能だけでなく、ぼけの美しさにもこだわっています。理想的な球面収差形状を設計するだけでなく、製造工程においては、最高レベルの精度で研磨されたレンズを丁寧に組み立て、かつ1本1本調整することで球面収差を理想形状に追い込み、高い解像力と美しいぼけの両立を実現しています。このレンズは愛知県のソニー幸田サイトで製造されていますが、この超望遠レンズ専用に最新設備やわずかな誤差さえも発生させない新しい組立方法を構築するなど、製造メンバーも一丸となって最高の性能を追求しました。

確かな品質を保証する“MADE IN JAPAN”の刻印が施された金属プレート

テレコンバーター装着時も圧倒的なピント精度と描写力を実現

金高:一般的にテレコンバーター装着時はレンズが持つ収差が拡大されてしまいますが、テレコンバーター装着時にも高い描写性能を実現するために、球面収差を含む光学性能を徹底的に追い込みました。 阿部:また、400mm F2.8の浅い被写界深度で、テレコンバーター装着時も含めて高い描写性能を最大限に引き出すためには、一段高いフォーカスレンズ群の停止精度が必要です。そこで、従来モデルのように1つのセンサーでフォーカスレンズの位置を把握するのではなく、1秒間に何万回もの高速処理を行いながら、複数のセンサーによってこれまでにない精度でフォーカスレンズの位置情報を算出するシステムを構築しました。それをサーボロジックに反映することで、より高速・高精度なレンズ制御を可能にしています。この技術により、「テレコンバーター装着時の解像性能とAF精度がすばらしい」とプロフォトグラファーの方々にも評価をいただきました。FE 400mm F2.8 GM OSSとテレコンバーターの2本があるだけで、800mmまでの焦点距離をカバーできるので、フォトグラファーの機動力を格段に向上させてくれると思います。

FE 400mm F2.8 GM OSS + 2.0X Teleconverter @Bob Martin

Mechanical Design メカ設計のこだわり

単なる軽量化ではない。慣性モーメントという指標によって描かれた、理想的なボディバランス

山本:被写体が高速かつ不規則に動くスポーツ撮影においてフォトグラファーに求められるものは、ただ単に軽いシステムではなく、優れた重量バランスによる振り回しやすさです。どれだけAFが速く、光学性能が高くても、フロントヘビーで振り回しにくいシステムではプロの道具として十分ではありません。そこで、慣性モーメントという指標を使い、α9に装着したときの理想的な振り回しやすさを追求しました。この慣性モーメントは、レンズとボディを構成する各部品の質量が回転軸に近いほど値が小さくなり、振り回しやすさが向上します。一脚と手持ちのどちらの撮影スタイルでも慣性モーメントの値が小さくなるように、光学設計者と協力して理想的なバランスを追求し、三脚台座や操作リングの位置を調整することで、圧倒的な振り回しやすさを実現しました。 また、軽量化にも徹底的にこだわり、レンズの骨格部品や外装部品に軽量かつ強度の高いマグネシウム合金を全面的に採用し、新しい光学設計と合わせて、レンズ単体で約2,895gという業界最高クラス※の軽量化を実現しました。α9の軽量ボディと組み合わせた際の軽さは圧倒的で、400mm F2.8のスペックながら手持ち撮影も可能です。これは、超望遠レンズを一脚で撮影するスタイルから解放し、撮影領域を大幅に広げる革新的な進化であると考えています。

※ 35mmフルサイズセンサー搭載デジタルカメラ用の焦点距離400mm F2.8交換レンズとして。2018年6月28日広報発表時点。ソニー調べ。

軽量で強度に優れるマグネシウム合金材料を全面的に採用。写真の部品はすべてマグネシウム合金で構成されている

阿部:実際にプロフォトグラファーの方々に、このFE 400mm F2.8 GM OSSでテスト撮影をしてもらったのですが、高いAF性能に加え、本体がかなり軽く振り回し性も高くなったことで、近距離を高速で動くスキー選手を手持ちで捉えていました。これまでスラロームやアルペンスキーなどの競技では、高速で滑走する選手を三脚や一脚を使用した状態で追うのはどうしても限界があったのですが、このレンズであれば手持ち撮影できるので、これまでと違った超望遠の世界が撮れるのではないかと期待しています。

設計者自らが、撮影現場に向き合うことで見えてきた、プロの現場に即した操作性と、道具としての信頼性

山本:プロの道具としての本当の使いやすさを追求するため、設計者自らが世界中のさまざまな分野で活躍するプロフォトグラファーの撮影現場に足を運び、実機テストとヒアリングを繰り返し行いました。どの位置にどのような機能の操作部材があるべきかという検証からスタートし、操作部材と重心位置とのバランスやグローブ装着時の操作性、操作リングのトルクなど、あらゆる撮影シーンを検証し、フォトグラファーの方々からの意見を反映した修正を重ねながら、デザインを作り上げています。 阿部:また、フォーカスリングの操作性についても精緻なピント合わせができるよう徹底してこだわっています。スポーツ撮影において、AFが意図しない被写体を捉えた場合でも瞬時にMFに切り換えて撮影ができるよう、「フルタイムDMF」機能を新規に採用しました。フォーカスリングの制御には、「リニア・レスポンスMF」を採用していますので、フォーカスリングとアクチュエーターがダイレクトに連結しているかのような操作感を実現しています。この機能はスイッチで簡単にOFFに設定できるため、フォーカスリングの誤操作を防ぐことも可能です。 さらに、フォーカスリングの前には、ボディ側から機能をアサインできる「ファンクションリング」を搭載しました。記憶したフォーカス位置に瞬時にピント位置を移動できるプリセットフォーカス機能に加えて、即時性が求められる撮影ワークフローに対応できるようフルサイズからAPS-Cへワンタッチで切り換えられる機能もアサインできるようにしています※。 ※ ファンクションリングへの機能アサイン対応ボディのみ 山本:FE 400mm F2.8 GM OSS は、「G Master」を代表するレンズとして、またスポーツの決定的瞬間を切り取るレンズとして、信頼性についても徹底的に追求しています。 常温環境で優れた性能を発揮するのはもちろんのこと、低温や高温下など過酷な環境であっても安定した性能を発揮できるよう、レンズの固定方法からアクチュエーター設計の細部まで、温度変化を考慮に入れた設計を行いました。性能評価については、雪山などの低温環境から強い直射日光のあたる高温環境まで、過酷な条件を再現した環境下で解像性能をはじめアクチュエーター性能など細部にわたり厳しい評価を繰り返しています。また堅牢性についても、撮影現場でのヒアリングを元に、フードからマウント部まで強化を図り、過酷な撮影フィールドでの使用に耐えられる堅牢性を持たせました。防塵・防滴性能※も、レンズ本体はもちろんのこと、別売アクセサリーの円偏光フィルター装着時も含めて高めています。解像性能からアクチュエーター性能、鏡筒メカまで、フォトグラファーの方々にプロの道具として安心して使っていただけるよう信頼性を徹底的に高めていますので、ぜひさまざまな撮影現場で使い倒していただければと思います。

※ 防塵・防滴に配慮した構造となっていますが、ホコリや水滴の浸入を完全に防ぐものではありません

厳しい環境を想定した低温試験の一例

最後に

山本:「G Master」は発売以来、プロフォトグラファーを含めて多くの方々に高い評価をいただいています。「ぼけと解像の両立」が基本コンセプトですが、それを実現するために常に最先端の技術を惜しみなく投入しており、開発した製品は市場の皆様にも受け入れられています。これを実現することは容易なことではなく、最先端の技術を盛り込んだとしても、それが技術の独りよがりであれば良い製品にはなりません。関わるエンジニアが、商品の使われ方やユーザーへの価値を考え抜き、それを尖らせる技術に徹底的にこだわることで、優れたレンズ開発につながるのです。 このFE 400mm F2.8 GM OSSも、プロのスポーツフォトグラファーに提供すべき価値を徹底的に研究し、最先端技術を投入することで、圧倒的な軽量化と高いAF性能を実現しました。約2,895gという業界最軽量クラス※のレンズ重量により、極限の環境で撮影されているフォトグラファーの方々の限界をさらに一歩引き上げるポテンシャルを持ったレンズに仕上がったと思います。実際にフィールドで使い倒していただいて、数字だけでは表現しきれない、このレンズが持つ価値を体感いただけると嬉しいです。今後も、進化する技術とともに、ユーザーの皆様にとっての価値に徹底的にこだわった製品を開発していきますので、ぜひご期待ください。 阿部:10年後も第一線で活躍できるAFシステムを開発したいとの想いから、これまでのアクチュエーター制御技術をゼロから見直しました。実現までの道のりは困難でしたが、最終的には最高のAFシステムができたと自負しています。ぜひα9と組み合わせたときの高速なAFとスムースなフォーカシングを体感していただきたいと思います。このレンズから新しい作品が世の中に出ることを大変楽しみに待っています。 イメージセンサーによって、多様な情報を絶え間なく見ることができるミラーレスシステムは、将来の認識技術進化に対しても大きな可能性を持っています。その無限の可能性を100%発揮できるのが、ボディとレンズとの間にミラーボックスなどの障害物がない極限までマッチングさせたミラーレスシステムだと思っています。これからも常に技術革新と最先端の技術を盛り込みながら、新しい価値を提供し続けていきますので、ぜひ楽しみにしていてください。 金高:クリアで抜けのいい画質と、ピント面で被写体をディテールまで映し出す緻密な解像性能、そこからアウトフォーカスまで自然でなめらかにぼけていく圧倒的な描写性能を、ぜひ体験いただきたいと思います。スポーツというドラマチックな瞬間を切り取るフォトグラファーの方たちに、このレンズを使っていただき、これまでにない魅力的な作品を撮ってもらえると嬉しいです。 本レンズの開発でフルサイズ対応のEマウントレンズは29本のラインナップになりました。α9、G Masterを始めとするEマウントシステムは、今や世界中のトッププロフォトグラファーが本気で使うシステムとして認められています。 今回のFE 400mm F2.8 GM OSSが追加になった事で撮影領域がさらに拡がり、より充実したシステムになったという意見を多数頂いております。これは私たちがEマウントシステムとして当初から目指してきたものです。今後もEマウントシステムをより一層充実したシステムとする為に、ソニーのミラーレスだからこそできるユーザー体験をお客様に提供していけるよう、常に最先端の技術を盛り込んだ商品開発にチャレンジしていきたいです。

※ 35mmフルサイズセンサー搭載デジタルカメラ用の焦点距離400mm F2.8交換レンズとして。2018年6月28日広報発表時点。ソニー調べ。

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