OBJECTIFS

Lentille à technologie de mise au point motorisée de Canon

La technologie qui sous-tend l'autofocus est souvent méconnue. Découvrez l'histoire du moteur ultrasonique (USM) et des technologies STM de Canon, ainsi que la façon dont elles offrent des capacités d'autofocus rapides, fluides et silencieuses.
Lorsque l'on regarde une photo, l'une des premières choses que l'on remarque est la netteté de sa mise au point. Si certaines photos sont mémorables malgré un effet de flou, l'objectif du photographe est avant tout d'assurer la netteté de son sujet.

Aux débuts de la photographie avec autofocus (le premier reflex AF de Canon est le modèle T80, sorti en 1985), le moteur d'entraînement autofocus se trouvait généralement dans le boîtier de l'appareil photo ou monté sur l'objectif. Il actionnait l'objectif mécaniquement. En 1987, avec la sortie de la monture d'objectif EF et de ses connecteurs entièrement électroniques, Canon a réussi à miniaturiser le moteur autofocus pour pouvoir l'intégrer directement dans l'objectif. Cela a permis d'optimiser chaque moteur AF en fonction de l'objectif dans lequel il devait être logé, offrant ainsi un autofocus plus rapide.

Cependant, il était toujours nécessaire de créer un moteur AF très puissant pour les objectifs à ouverture rapide présentant des groupes de mise au point plus importants, qui fonctionnerait plus efficacement et offrirait un autofocus plus rapide, fluide et silencieux. L'objectif EF 300mm f/2.8L USM en a été le résultat, avec un moteur ultrasonique (USM) annulaire à la fois rapide et quasi silencieux. En 1990, de nouvelles techniques de fabrication ont permis de réduire le coût de production. C'est ainsi que les objectifs Canon équipés de moteurs USM annulaires ont fait leur apparition sur le marché à des prix grand public.

Deux ans plus tard, en 1992, les lignes de production automatisées ont mené au développement de moteurs Micro USM pour les objectifs grand public. Dix ans après, en 2002, le moteur Micro USM II, deux fois plus compact que le moteur Micro USM originel, a été mis au point.

Une décennie plus tard, en 2012, un nouveau type de moteur de mise au point a fait son apparition. Il s'agit du moteur STM, dont le nom fait référence à l'utilisation de moteurs pas à pas. Ce moteur a été développé tout particulièrement pour la vidéo, car il permet des changements de mise au point fluides et silencieux.

En 2016, Canon a lancé le système de mise au point Nano USM, qui associe la vitesse de l'USM annulaire avec la discrétion et la fluidité de la mise au point STM.

Il existe donc quatre types de moteurs USM : annulaire, Micro, Micro II et Nano. Comme tous les moteurs AF, ils visent à convertir une force électromagnétique en force de rotation pour entraîner les composants de mise au point intégrés à l'objectif. Ce qui différencie les moteurs USM, c'est le principe de conversion de l'énergie des vibrations ultrasoniques en force de rotation.
Un moteur USM annulaire, dont le rotor et le stator dentelé ont été mis en évidence.

La construction et l'agencement du rotor et du stator des moteurs USM annulaires sont relativement simples. Le stator est l'anneau dentelé situé à l'arrière.

Plan de coupe de l'assemblage d'un moteur USM annulaire.

Les moteurs USM annulaires sont conçus pour s'intégrer au barillet d'un objectif.

Plan de coupe d'un objectif Canon EF-S 18-135mm f/3.5-5.6 IS USM présentant l'assemblage Nano USM.

L'objectif Canon EF-S 18-135mm f/3.5-5.6 IS USM a été le premier à contenir la technologie Nano USM. Il offre de hautes performances d'autofocus, le tout dans un format encore plus compact que les technologies précédentes.

La technologie Nano USM de l'objectif EF-S 18-135mm f/3.5-5.6 IS.

Un aperçu de la technologie Nano USM présente dans l'objectif EF-S 18-135mm f/3.5-5.6 IS USM.

USM annulaire

Le moteur USM annulaire est le moteur AF le plus communément utilisé dans la gamme d'objectifs Canon EF. Pour être efficace, un moteur USM annulaire doit répondre à certains critères. Il doit être assez puissant pour entraîner le groupe de lentilles de mise au point rapidement et facilement à basse vitesse, afin d'éviter le recours à un système d'engrenage pour réduire la vitesse. Il doit également offrir un niveau de maintien élevé. Ainsi, lorsque le moteur est coupé, le groupe d'objectifs de mise au point reste en place sans nécessiter d'intervention. Il doit être simple à produire et doit démarrer et s'arrêter rapidement, de façon à garantir une réactivité optimale pour la mise au point. Enfin, son fonctionnement doit être aussi silencieux que possible.

Outre ces fonctionnalités, les moteurs annulaires sont aussi très efficaces. Ils affichent une basse consommation, maximisant l'autonomie de la batterie de l'appareil photo. Grâce à leur forme d'anneau, ils sont parfaits pour s'adapter au barillet d'objectif. Leur vitesse de mise au point est très contrôlée. Ces moteurs sont stables sur une grande plage de températures, de -30° C à +60° C.

Le moteur USM annulaire est très simple d'utilisation. Il est constitué d'un rotor et d'un stator, un boîtier élastique auquel est adjoint un système sous tension en céramique. Lorsqu'un courant CA avec une fréquence de résonance d'environ 30 kHz est appliqué au stator, les vibrations créées entraînent la rotation permanente du rotor. La fréquence de 30 kHz se trouvant dans la plage ultrasonique, c'est de là que vient le nom des moteurs USM.

L'élément piézoélectrique génère des vagues ultrasoniques qui, à la manière dont les vagues propulsent les surfeurs, créent au niveau du rotor une force de rotation qui déplace le groupe de mise au point. Le basculement du courant entre deux phases différentes change la direction des vagues ultrasoniques. De fait, le groupe de mise au point peut se déplacer dans différentes directions, offrant un contrôle de la direction, de la vitesse et du degré d'ajustement de la mise au point.
Illustration de la technologie STM.

Le système STM est doté d'un moteur pas à pas très précis qui se déplace progressivement en fins paliers.

Système STM à vis sans fin.

Les objectifs STM plus grands incorporent un système STM à vis sans fin plus encombrant que les unités STM à engrenages équipant les objectifs plus compacts. Cependant, ce système est aussi plus rapide et silencieux.

Micro USM

Dans l'USM annulaire, le stator et le rotor sont des parties séparées. En revanche, avec le design du Micro USM, le rotor, le stator et l'engrenage d'entraînement sont combinés dans une unité environ deux fois plus légère qu'un moteur USM annulaire. Alors que l'USM annulaire plus puissant est conçu pour se loger dans le barillet circulaire d'un objectif, ce qui le rend parfait pour une utilisation avec de grands objectifs zoom professionnels, le moteur Micro USM a été conçu pour s'adapter à un grand nombre d'objectifs sans être limité par la taille de leur barillet. Les moteurs Micro sont aussi moins coûteux à produire, ce qui les rend plus adaptés aux objectifs grand public, pour lesquels le coût est un facteur clé.

En principe, le moteur Micro USM présente un fonctionnement similaire à celui d'un USM annulaire, avec des vibrations ultrasoniques créées par des éléments piézoélectriques. Il y a quatre couches piézoélectriques, chacune créée à partir de deux phases d'éléments piézoélectriques en alternance. Ces éléments se compensent mutuellement en alternant les phases de 90°. Un courant CA appliqué à la seule phase A entraîne une vibration de gauche à droite du stator. Si du courant est appliqué à la phase B, le stator est entraîné d'avant en arrière. Lorsque du courant est appliqué à la fois à la phase A et à la phase B, le mouvement résultant est une rotation basée sur le mouvement de l'extrémité du stator, par exemple, à gauche, en arrière, à droite, à l'avant, à gauche, à l'arrière, à droite, à l'avant. Cette force de rotation est appliquée à l'engrenage d'entraînement principal, qui entraîne à son tour les engrenages du mécanisme de mise au point.

Micro USM II

Le moteur Micro USM II constitue avant tout une version plus compacte du moteur Micro USM. Son fonctionnement est très similaire, mais la longueur de l'unité a été considérablement réduite pour permettre une intégration dans des objectifs zoom ultra-compacts. Sa réduction a été possible par la reconfiguration du rotor et du stator, de sorte qu'une partie du stator soit placée à l'intérieur du rotor, alors qu'ils étaient auparavant alignés. Cela a nécessité la création d'un nouveau format de vibration, afin que la fréquence de résonance des éléments piézoélectriques ne soit pas trop élevée, ce qui donnerait lieu à une amplitude de vibration insuffisante.

Résultat : le Micro USM II est deux fois plus compact et léger qu'un moteur Micro USM II, tout en affichant des caractéristiques de performances presque identiques. Grâce à sa petite taille, le Micro USM II est parfaitement adapté aux objectifs zoom compacts. L'objectif EF 28-105mm f/4-5.6 USM, commercialisé en 2000, est le premier objectif intégrant le moteur Micro USM II.
Schéma illustrant le moteur Nano USM et le microprocesseur de l'objectif Canon RF 24-105mm f4L IS USM, ainsi que le capteur et le processeur d'image des appareils photo Canon dotés du système EOS R.

L'objectif Canon RF 24-105mm F4L IS USM intègre un moteur Nano USM (appelé « Nano USM ») contrôlé par un microprocesseur (appelé « microprocesseur objectif »), qui communique à très haute vitesse avec le système d'autofocus Dual Pixel CMOS dans le capteur des appareils photos dotés du système EOS R et avec le processeur de l'appareil photo (appelé « processeur d'image »). Il en résulte des performances extrêmes en matière de mise au point.

STM

La technologie de moteur de mise au point suivante est un peu différente. Commercialisés pour la première fois en 2012, les objectifs STM sont aussi efficaces pour les photos que pour les vidéos, car le moteur STM (pas à pas) génère des mouvements de mise au point fluides et silencieux.

Un moteur pas à pas utilise le courant CC (courant continu) qui passe à travers plusieurs bobines organisées en groupe. L'application consécutive du courant aux groupes fait pivoter le moteur pas à pas. Plus le nombre de groupes est élevé, plus les pas et les mouvements sont précis.

Lorsqu'une taille compacte est essentielle, Canon fait appel à la technologie STM à engrenages. Celle-ci utilise des engrenages hélicoïdaux pour entraîner la mise au point sans occuper beaucoup d'espace. Les objectifs plus volumineux utilisent un système STM à vis sans fin. Celui-ci est plus imposant que les unités STM à engrenages, mais il est plus rapide et silencieux.

Nano USM

La dernière innovation, la technologie Nano USM, a été apportée avec la nouvelle version de l'objectif EF-S 18-135mm f/3.5-5.6 IS USM apparue en 2016. Le but était de concevoir un moteur capable d'offrir la rapidité que les photographes recherchent pour leurs photos, ainsi que la fluidité et la stabilité nécessaires pour les vidéos.

À l'instar des moteurs USM précédents, le moteur Nano USM utilise la vibration ultrasonique pour créer le mouvement. Bien que très compact, il offre de hautes performances d'autofocus.

Comme les autres unités USM, le moteur Nano USM est doté d'un boîtier métallique élastique, d'un système sous tension en céramique et d'une unité d'acquisition. L'envoi du courant et la variation du voltage appliqué aux éléments en céramique créent deux types de vibrations. Celles-ci permettent au moteur de contrôler précisément la vitesse et la direction de l'unité d'acquisition. Cependant, le mouvement est de type linéaire, et non rotatif. Les éléments de mise au point de l'objectif sont entraînés par un rack, avec des barres de guidage permettant de contrôler les mouvements en avant et en arrière. Il s'ensuit une mise au point fluide, garantissant un contrôle précis de la vitesse et un fonctionnement quasi silencieux.

Lancé en octobre 2019, l'objectif RF 70-200mm F2.8L IS USM a été le premier objectif doté de la technologie Dual Nano USM. Il comprend deux moteurs Nano USM, dont chacun entraîne différents groupes d'objectifs, lesquels travaillent de concert pour produire une mise au point plus efficace et plus rapide.

Rédigé par Angela Nicholson


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