Lentille à technologie de mise au point motorisée de Canon

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, les progrès des techniques de fabrication ont réduit les coûts de production, permettant à Canon d'introduire les moteurs USM annulaires dans les objectifs à un prix abordable pour les consommateurs

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. Trois ans plus tard, la mise au point Dual Nano USM a été introduite sur l'objectif RF 70-200mm F2.8L IS USM. Les moteurs Nano USM permettent de déplacer deux groupes d'objectifs de façon indépendante, ce qui réduit la variation de champ et fournit une mise au point fluide, rapide, quasi silencieuse et continue.

Il existe donc un total de cinq types de moteurs USM : annulaire, Micro, Micro II, Nano et Dual Nano. À l'instar des moteurs autofocus, leur but est de convertir la force électromagnétique en un mouvement de rotation, qui entraîne les éléments de mise au point de l'objectif. Ce qui distingue les moteurs USM est leur utilisation de l'énergie des vibrations ultrasoniques qui est transformée en force de rotation.

En juin 2024, un nouveau type de moteur d'autofocus Canon a été dévoilé. Le moteur Voice Coil Motor (VCM) utilise un champ magnétique pour entraîner les éléments de mise au point et offre un autofocus à fortes poussée et précision. Le VCM est un moteur AF exceptionnellement fluide et silencieux. Il est parfait pour la nouvelle génération d'objectifs RF hybrides à destination des cinéastes et photographes.

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.

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.

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. Toutefois, les Micro USM et Micro USM II sont moins répandus aujourd'hui en raison du lancement de technologies de moteurs d'objectifs plus performantes.

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.

La technologie Nano USM a été lancée 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.

Comme son nom l'indique, le Dual Nano USM utilise deux moteurs Nano USM, chacun entraînant un différent groupe d'objectifs. Non seulement ces groupes fonctionnent de concert pour offrir une mise au point plus rapide et plus efficace, mais ils peuvent également être contrôlés indépendamment pour supprimer la variation de mise au point lors de l'enregistrement de séquences vidéo.

Lancé en octobre 2019, l'objectif RF 70-200mm f/2.8L IS USM a été le premier objectif doté de la technologie Dual Nano USM. Elle est depuis devenue une fonctionnalité caractéristique des téléobjectifs RF, notamment les modèles RF 100-300mm F2.8L IS USM et RF 70-200mm F4L IS USM, et des objectifs hybrides vidéo/photo tels que le RF 24-105mm F2.8L IS USM Z.

Dernière innovation en date, le VCM (Voice Coil Motor) est un moteur AF d'entraînement linéaire puissant et réactif assorti d'une conception relativement simple et sans contact. Au lieu d'utiliser l'énergie des vibrations ultrasoniques pour déplacer le groupe d'objectifs de mise au point, il se sert de la force magnétique pour des ajustements de mise au point rapides et fluides. Le mécanisme de mise au point est fixé à une bobine de fil positionnée entre les aimants d'entraînement. Ces aimants d'entraînement se déplacent d'avant en arrière pour ajuster la position du champ magnétique qui, à son tour, déplace la bobine et le mécanisme de mise au point de façon linéaire dans le barillet de l'objectif.

À l'instar du Nanon USM, le VCM associe la rapidité et la précision dont les photographes professionnels ont besoin à l'autofocus fluide, stable et quasi silencieux nécessaire à la réalisation de séquences vidéo. Toutefois, les moteurs VCM sont plus efficaces pour déplacer des groupes d'objectifs de mise au point plus lourds utilisés dans les objectifs à focale fixe et pour les zooms, avec des ouvertures maximales rapides.

Le RF 35mm F1.4L VCM de Canon a été le premier objectif à inclure un moteur d'autofocus VCM, qui est en l'occurrence associé à un Nano USM plus petit. Ces moteurs de mise au point fonctionnent en binôme, le VCM contrôlant les quatre objectifs de mise au point les plus grands et le Nano USM ajustant le groupe d'objectifs flottants. Les deux différents groupes d'objectifs peuvent être déplacés simultanément ou indépendamment, le système flottant aidant à éliminer la variation de mise au point, ce qui offre une mise au point cinématographique parfaite lors de l'enregistrement de séquences vidéo.

Un objectif VCM nécessite d'être alimenté depuis l'appareil photo pour maintenir le groupe d'objectifs de mise au point dans la bonne position. Ceci signifie que, lorsque l'appareil photo est éteint ou que l'objectif n'est pas fixé à l'appareil photo, vous pouvez détecter du bruit ou des mouvements provenant des composants internes. Ceci est normal et n'affecte pas les performances de l'objectif.