4K广播用演播室箱式镜头 “UHD-DIGISUPER 27”的研发轶事

广播镜头的构造

广播镜头主要包括如下几种：用于在广播电视台演播室进行拍摄的演播室变焦镜头；用于进行体育活动转播的现场变焦镜头；在报道、外景拍摄等进行节目制作的各种场合使用的ENG/EFP镜头等。

为了满足专业影像制作现场提出的严格的光学性能要求，广播镜头采用非球面透镜、萤石等光学元件，采用可将数十枚之多的透镜进行合理配置的先进的光学设计技术，提供高精细的没有几何扭曲、渗色的4K/HD图像。此外，广播镜头搭载了高精度的位置检测元件（编码器）以及控制IC，实现了优秀的操作性。

此次“访谈”的研发人员

4K（3840×2160像素）能以４倍于HD（1920×1080像素）的分辨率显示高精细的影像。在视频服务方面，已有4K视频的推送。家用4K电视价格下降，4K电视正迅速普及。还有，在2018年秋，终于要真正开始4K播出了。在这种背景下，日本国内外的广播行业正迅速将拍摄、制作器材升级为4K器材。面对这一世界潮流，广播镜头研发团队是如何进行产品企划的？

——日本国内将于2018年秋开始4K、8K的卫星广播，请问广播行业面向4K化有多火爆？

分辨率比较

中村建城
日本从2003年左右开始进入地面数字广播。在那个时候引入HD器材的广播电视台和制作公司，需要在今年2017年左右开始进行器材的更新换代。要对器材进行更新换代的话，会换成更高性能的器材，因此会需要以镜头为首的支持4K的产品。目前，日本国内对4K器材的需求很旺盛，而对HD器材的需求则日渐萎缩。

在美国，要说地面广播的话，在4K推广方面不太积极，但Netflix等网络方面的视频推送服务确实在4K化。在欧洲，以足球等体育频道为中心，4K器材的引进如火如荼地进行着。

另外，在发展中国家，数字化广播刚刚开始，但这些国家并不想先使用HD，而是与发达国家一样，想直接使用先进的4K器材。

——4K市场在世界范围内都很火啊。

「UHD-DIGISUPER 27」与「DIGISUPER 27」比较

中村
但是，如果在器材大小、重量以及使用性上比HD差，那么人家还是不会买的。价格方面也是这样。这次用于4K广播的27倍演播室箱式镜头UHD-DIGISUPER 27，其研发目标是在使用性和价格上等同于HD版的DIGISUPER 7。

——关于UHD-DIGISUPER 27，是如何进行产品企划的？

铃井正毅
这次的产品企划是从“演播室变焦镜头中的4K到底是什么？”的疑问中开始的，在问题讨论过程中，“使用以往的评价装置和组装工序是否行得通？”这一课题逐渐浮出水面。

我们较大程度地发挥了广播镜头相关研发、评价、制造各部门全都集中在宇都宫地区的优势，从初始阶段开始就展开了各部门极为密切的合作，逐渐定下了器材的规格。

活跃在足球4K广播中的现场箱式镜头「UHD-DIGISUPER 86」

堀雅雄
佳能从10年前的2007年开始销售现行HD用的27倍演播室箱式镜头DIGISUPER 27，它因“分辨率高”“易于合焦”而受到用户的高度好评。因此，用户对它的4K版镜头寄予了很高的期望。正因为如此，我们特别在意成像性能，如4K独有的分辨率以及色彩还原等。另外，一般情况下，在足球、棒球和高尔夫球等室外体育转播方面，大多使用高倍率的UHD-DIGISUPER 86等。但听说欧洲的足球、日本的高尔夫的果岭周边等体育转播中，使用演播室箱式镜头的情况也很多，因此在UHD-DIGISUPER 27的研发中，对这方面也有所考虑。

从技术方面来说的话，就是首先找出问题，如用现行的技术能在多大程度上实现所要求的4K性能？缺少哪些技术？要想让用户从HD环境顺利地过渡到4K环境需要什么东西？然后，在找出问题的基础上，确定目标。

例如，现有的变焦镜头上有一个在后焦（Flange Back）※1合焦时使用的调整机构。如果变成4K的话，对于使用该调整机构进行调整导致的图像变化，必须尽量地进行抑制。就这样，我们把课题一个一个地找了出来。

※1 后焦（Flange Back）：镜头安装面到成像面的距离。

对于新研发的4K演播室箱式镜头，其研发目标是：既具备与4K相符的成像性能，又实现与HD版同等的大小和使用性。光学设计组对透镜单元的构造和材料从头开始重新审视，一边在小组内畅所欲言、交换意见，一边反复进行尝试。

——在光学设计上，HD与4K是不是有很大的区别？

堀
与HD相比，4K图像传感器的像素间距约减半，所要求的像差水平也随之变严。举例来说，我们曾修改了几个设计目标，其中之一就是把导致画面周边渗色的倍率色差减半。为了在等同于HD版的器材尺寸下实现这些目标和用户的要求，与HD版相比，必须对透镜的构成进行大幅度的更改。另外，在设计模拟、透镜玻璃材料的光学特性、摄像机功能等方面，较近这10年也出现了很大的进步，我们把这些变化积极地吸收到光学设计中来，逐渐确立起符合4K产品的光学设计环境。

——设计、研发是按怎样的流程进行的？

桑野领
首先，光学人员用CAD等工具对透镜的形状、配置进行大致的设计。然后，将大致的设计结果分享给机械设计、电气设计和制造的相关人员，并与他们一起讨论：如何移动透镜，在哪个部分进行调整等。我们反复进行沟通交流，比如“这个地方因客观条件制约而难以实现，光学设计能不能想想办法？”等。

铃井
如果将镜头4K化、高精细化，那么透镜移动组※2肯定是会变重。如此一来，当摄像机朝向上方或下方时，就会出现问题，比如透镜移动组不能如愿地移动，不能停在目标位置等。另外，能否在高温或低温环境下顺利工作这一点也很重要。光学人员进行设计，机械人员进行透镜移动组的模拟，然后电气人员验证能否在相应条件下运行，并将验证结果反馈给光学和机械人员。

※2 透镜移动组：在全体透镜中根据合焦或变焦操作来移动的透镜。

——制造人员也是从很早阶段开始就参与进来了是吧。

川口岳
是呀。制造人员可以从零部件的确保和组装的角度提出意见，比如“希望在这个地方设一个调整机构”，再如“关于这个部分的要求精度，能不能稍微缓和一点”等。

堀
在制造人员和测试人员也都来参加的讨论会上，我们就这样互相交换意见，如果设计被否决了，那就由设计人员进行修改。得到各方面人员“可实现质量目标”的预估后，就会落实到设计图中，然后实际制作试制品。这只是万里长征走完了第一步。制作出试制品后，就进入评价测试阶段，确认其性能和可靠性是否达到设计值。如果没有问题，就进入批量生产阶段。

铃井
我想您听过之后就会明白，在这种广播器材的研发方面没有什么捷径可走。妄想有一个明确的流程，只要一步一步地回答“是”或“否”就能完成研发，这是不可能的。

当然，我们会使用模拟软件等，但实际经历过之后就会明白：如果没有光学、机械、电气、测试、制造等各个领域的工作人员一边交换意见一边推进工作，那么较终是无法完成任务的。即使在工厂组装阶段，设计人员也会参与进来、提供支持。

——镜头的试制好像很费成本啊。

堀
广播镜头用的透镜中，大点儿的每1枚直径大约有20cm，成本非常高。正因为如此，才会从研发初期的设计阶段开始就让测试、制造人员也参与进来，以便从各种角度发现要解决的课题。

为了较大限度地发挥4K的光学性能，要求驱动镜头的机械需实现远高于以往的高精度。单是螺丝的拧法就能给性能带来巨大的影响。设计和制造人员，通过不断地研究讨论，不断地摸索较合适的解决方案。

——关于机械，哪些地方是关键？

桑野
在发明制造方面，总是会在制造阶段出现偏差。在考虑这些偏差的基础上，思考如何才能实现光学设计人员设计的光学性能，这是相当烧脑的。

例如，在一片片透镜的支承方法上，像支承方向、支承位置等，必须要考虑的要素有很多很多。另外，当透镜移动组发生了超过容许值的晃动时，如何才能实现满意的精度？是通过部件精度来控制？还是通过机械构造来抑制？抑或是在组装时进行调整？这些问题费了我们很多的力气才定下来。我们还会听取组装人员的意见，如果无法在组装阶段解决，那么我们就进行设计修改等。

——这些研究是在模拟软件上进行的吗？

桑野
单靠模拟的话，有些地方是无论如何也整不明白的，所以在这种时候，我们也会单独就特定的机构进行简易的试制。

川口
透镜过度紧固会发生扭曲，从而对拍摄出的影像产生影响。如果是厚点儿的透镜，那么一定程度的强力紧固也是没有问题的。但是4K的话，扭曲对图像的影响比HD要大得多，因此对于紧固时的力度需要进行详细的规定。

铃井
设计大致分为光学、机械、电气这几部分，但实际上机械设计人员是较苦的（笑）。因为光学那边会说“请做好支承，以便切实发挥设计性能”，电气那边会说“请整得轻点儿，以使透镜无论在什么条件下都能准确移动”。除此之外，机械设计人员还得考虑实际制造方面的问题。

桑野
与其它的镜头产品相比，在广播用变焦镜头的研发上，研发部门与工厂的联系更加紧密。即使是在批量生产开始之后，也会出现设计人员与工厂组装部门一起研究讨论的情况。

——这是由于精度要求水平很高的缘故吗？

桑野
是的。仅靠单个部件或透镜方面的精度的话，是无法实现所要求的性能的，组装作业人员的调整作业是不可或缺的。如果对组装或调整作业有改进需求，那么设计人员也会来到组装现场，认真汲取现场提出的意见并一起考虑解决方法。如果不这样的话，同样的问题会延续到下一个产品上。

——这次在制造方面大费周折的是哪些地方？

川口
在焦点移动方面费了很多周折。如果是静态相机的话，只要进行变焦并在该位置上合焦就没有问题了。但是，如果是视频拍摄，那么即便是在变焦过程中，也必须正确合焦。变为4K后，对精度的要求更严格了。镜头有调整机构，它通过使用名为垫片（Washer）的部件来调整透镜之间的间隔，这个调整本身是非常精密的。精度要求更高了，因此必须实施更为精细的调整。

当我们遇到在制造方面变难，无法进行调整的情况时，我们会向研发部门反馈，请求进行构造方面的变更。

——4K镜头在性能测试方面也比HD困难的多吧？

堀
为了将镜头表面的面精度※3控制在HD的一半的水平，我们新引入了高分辨率的测量仪器，并严格进行管理。此外，在变焦镜头的分辨率和色彩再现性方面，也要求比HD的性能翻倍，因此我们采用了符合4K产品的高判断基准进行测试和管理。广播用变焦镜头并非只要能拍摄细微的东西就可以了，这种镜头不但要重视图像对比度，而且还需要采取措施以减少鬼影和眩光※4。

※3 面精度：加工后的面与理想面之间的形状误差。

※4 鬼影、眩光：镜头内部反射导致的重影或将后方的光拍摄进去的现象。

无鬼影和眩光的示例

有鬼影和眩光的示例

广播用专业产品正在走向高精细化，正在向4K、甚至8K进化。广播现场到底需要什么样的器材？广播镜头的团队从研发到制造同心协力，共同探寻用户需求，以期实现易用性较优。

——关于UHD-DIGISUPER 27，其卖点之一是与HD镜头具有同等的使用性，在这一点上，佳能在哪些地方下了功夫？

“UHD-DIGISUPER 27”与“DIGISUPER 27” 沟槽位置比较

桑野
先于UHD-DIGISUPER 27上市的UHD-DIGISUPER 86为了提高光学性能，将重心往前挪了，挪到了比HD镜头还要靠前的位置。因此，在设计上，与以往相比，把搬运时手抓的沟槽也进一步往前延伸了，以便拿稳。为此，对内部构造也进行了修改。UHD-DIGISUPER 27也沿袭了这一设计思路，与HD镜头DIGISUPER 27相比，更加方便搬运。再加上在重量上实现了轻量化，便于搬运和轻量化两者相得益彰，有望实现很高的机动灵活性。

除此之外，在电气系统方面进行了通用化设计，用户持有的周边配件可以原封不动的拿来用，因此在使用方面不逊于HD。

铃井
类似的努力还多着呢。广播现场的工作人员强烈要求机身变短点儿，说想使用广角端拍摄。一开始我百思不得其解，明明那么大一个电视台，怎么就这么在乎设备的大小呢？实际到现场一看才明白，即便是大的电视台，其录制节目的演播室也大多狭小而局促。类似这种没有商量余地的现场状况，我们也在产品设计中考虑了。

我们通过电视台或节目组收到了各种各样的需求，比如“希望这个按钮是倾斜的”，“希望能靠直觉来操作”等。我们收到这些需求之后，就会下功夫努力实现。虽然这样的研发工作非常不容易，但是当我们通过所收看的电视台节目看到这些需求背后的原因时，切实感到自己通过技术与摄影师进行了沟通交流。

——请各位谈谈，今后在广播镜头方面，会有哪些性能需求？

堀
目前，在广播市场，在追求4K、8K高精细化的同时，HDR※5和BT.2020※6的色域扩展等技术开始普及，要求变焦镜头的分辨率和色彩再现性提高到极限。随着图像传感器细微化的发展，在追求成像性能时必须考虑到衍射※7的影响等各种因素。另外，伴随着摄像机机身的小型化，要求变焦镜头更加小型轻量化。将符合这种市场动向的、成像性能高、使用性好的产品及时地提供到市场上，我认为这就是今后对广播镜头的要求。

此外，较近从HD向4K过渡的过程中，用户较在意的是焦点。如果焦点稍有偏移，那么在大屏幕上马上就会模糊不清，非常扎眼，因此今后可能会需要改善控制器的操作性，或者需要像自动对焦那样的功能。

※5 HDR：是High Dynamic Range的简称，该技术用于扩大影像具有的亮度范围（动态范围）。

※6 BT.2020：2012年8月发行的UHDTV的色域标准。可对自然界存在的颜色中约99.9%的颜色进行再现。

※7 衍射：光波或声波等在前进的过程中，遇到障碍物时绕到障碍物背后的现象。在照片拍摄中，绕到光圈背后的光无法到达图像感应器，因此会呈现分辨率低、对比度底的画质。

边看取景器边用控制器进行合焦

铃井
虽然广播用摄像机上附带的取景器不是我们的范畴，但是今后包括取景器和控制器在内，对于用户确认焦点的方法我们也必须纳入考虑范围内。成为4K或8K后，靠通常广播用摄像机上附带的7英寸左右的取景器，是无法判断有没有正确合焦的。例如，在户外拍摄后，在大型显示器上确认时发现模糊不清，那可就完蛋了。如何用我们的技术解决这种问题？这将会是今后的一个课题。

——广播镜头是用户要求水平非常高的一个领域，这种发明创造对工程师提出了哪些方面的要求？

桑野

在研发现场，使用3D CAD和模拟工具等成了家常便饭。但是，基本不会出现单凭这些虚拟工具就能解决问题的情况。我的体会是：看到实物！触摸实物！如果平时不养成这种好习惯，那么到后面就会吃很多苦头。幸运的是，宇都宫事业所内有工厂，我们能立马看到实物。另外，腿脚勤快、迅速反应，这对工程师来说也是非常重要的。

川口

我在大学学的是机械设计，但是如果光懂机械而不懂光学等，那就无法面对意料之外的事态。我认为，那些兴趣广泛的、对各种领域感兴趣的人比较适合做制造工程师。

堀
面向今后越来越高的要求，我要用自己研发的产品来担负和改变今后的影像表现！抱着这种决心，用挑战精神来进行光学设计，这是很有必要的。UHD-DIGISUPER 27这款产品在规格和性能两者兼得方面下了不少苦功，在该产品中奉行的用户第一的研发原则受到了高度评价，而且我本人常看电视、电影，因此对于能够继承前人累积下来的光学技术并使之进化为4K，能够与大家一起携手使这款产品面世，我感到非常骄傲。

铃井
在BtoB业务现场，研发人员与客户直接建立起信任关系，能与客户产生同感，我觉得这是很重要的。

以前，电视台有位摄影师曾经跟我说过，“请把变焦速度加速时的感觉整得就像踩外国车踏板时的感觉”（笑）。于是我就去租车的地方租了一辆车，体验了一把踩外国车踏板的感觉，后来我把这事儿告诉了那个摄影师，摄影师笑着说我，“从没见过像你这样的”。这个时候，我感觉到，摄影师对我抱有的“任何要求都努力去理解”的态度给与了认可。对于这种极度抽象的、定性的需求，反复理解并定量化是非常困难的，但与摄影师建立起信任关系后，就会从摄影师那里得到非常具体的建议，从而较终体现到产品中。

定量化的技术是可以模仿的，但在长时间或各种故事中培养起来的信任关系却是难以轻易模仿的。在日常工作中，我感觉这就有BtoB业务的本质，这正是我们这种研发人员应该具备的素质。

中村

较近，虚拟工具和智能手机日益盛行，仅凭单枪匹马就想搞定一切的人好像越来越多。但我认为，仅靠单枪匹马就能能完成的工作几乎不存在，跟别人沟通交流并建立起连接是很重要的。

不要认为网上学来的知识就成了自己的知识，要来到现场，听听现场的人怎么说。做一个善于沟通交流的人，与很多人建立起关联，不断地汲取自己感兴趣的事情。然后，试着经历一次挫折。希望能带着这种活力从事发明创造。

有极高精度要求的产品，其诞生的过程其实是非常朴实无华的。

看到美丽的影像，我们会自然而然的说“美丽”。那么，到底什么是“美丽”？从SD到HD，再到4K，然后再到8K，影像更加高精细，更加接近“真实”。然而，对“是否美丽”、“是否真实”做出鉴定的，说到底还是我们的大脑。

要将抽象的、难以捉摸的感性需求体现到产品中，惟有与用户反复沟通交流，并由研发同仁们共同探究、一起努力，一步一步地向前推进。

要想制造出能在世界顶尖水平上争锋的产品，除了需要高度发达的技术水平外，团队合作也是非常重要的。这应该是日企在全球竞争中的一大优势。

采访与撰稿

山路 达也（Yamaji Tatsuya）
1970年出生。曾担任杂志社编辑工作，后独立成为自由撰稿人/编辑人。目前活跃在IT、科学、环境领域，从事采访和写作活动。
著书有《Apple、Google成为神的日子》（与他人合著）、《新超传导入门》、《Google的72小时》（与他人合著）、《弹言》（与他人合著）等。