Tecnologia dei motori di messa a fuoco Canon

Quando si osserva una fotografia, una delle prime cose che si nota è la messa a fuoco. Nonostante certe immagini sfocate rimangano impresse nella mente di chi le guarda, lo scopo e il presupposto di quasi tutte le fotografie è quello di immortalare un soggetto nitido.

Agli albori della messa a fuoco automatica (T80, la prima reflex Canon con autofocus, viene lanciata nel 1985), il motore AF veniva spesso posizionato nel corpo della fotocamera o collegato all'obiettivo e controllava le ottiche in modo meccanico. Nel 1987, con il lancio dell'innesto dell'obiettivo EF e dei suoi connettori interamente elettronici, Canon riduce le dimensioni del motore AF per posizionarlo all'interno dello stesso obiettivo. Così facendo, diventa possibile ottimizzare ogni motore AF in base all'obiettivo in cui viene montato e fornire una messa a fuoco automatica più rapida.

Tuttavia, mancavano ancora motori AF ad alta potenza per gli obiettivi ad apertura rapida con gruppi di messa a fuoco maggiori, in grado di fornire prestazioni efficienti e una messa a fuoco automatica veloce, fluida e silenziosa. Nasce così l'obiettivo EF 300mm f/2.8 L USM, con motore ultrasonico (USM) ad anello, rapido ed estremamente silenzioso. Nel 1990, i progressi nelle tecniche di produzione hanno ridotto i costi, consentendo a Canon di introdurre i motori USM ad anello negli obiettivi a un prezzo accessibile ai consumatori.

Due anni dopo, nel 1992, le linee di produzione automatizzate portano allo sviluppo del motore Micro USM per gli obiettivi di largo consumo. Nel 2002 viene lanciato il motore Micro USM II, che occupa metà dello spazio rispetto all'originale motore Micro USM.

Dieci anni dopo, nel 2012, viene presentato un nuovo tipo di motore di messa a fuoco: il sistema STM, che prende il nome dai motori passo-passo di cui si serve. Tale tecnologia viene sviluppata in particolare per le riprese video, perché consente all'obiettivo di eseguire cambi di messa a fuoco fluidi e silenziosi.

Nel 2016 Canon lancia la messa a fuoco Nano USM, che combina la velocità del motore USM ad anello alla silenziosità e fluidità del motore STM. Tre anni dopo, Canon ha introdotto il motore Dual Nano USM con l'obiettivo RF 70-200mm F2.8 L IS USM. Questo tipo di motore permette di muovere due gruppi di lenti in modo indipendente, riducendo al minimo il focus breathing e garantendo una messa a fuoco fluida, rapida e pressoché silenziosa.

I motori USM sono quindi di cinque tipi: ad anello, Micro, Micro II, Nano e Dual Nano. I motori di messa a fuoco automatica convertono la forza elettromagnetica in movimento rotatorio, necessario per muovere gli elementi che regolano la messa a fuoco. I motori USM di Canon si distinguono perché utilizzano l'energia delle vibrazioni ultrasoniche per creare questo movimento.

Nel giugno 2024, Canon ha presentato un nuovo motore di messa a fuoco automatica, noto come Voice Coil Motor (VCM), che utilizza un campo magnetico per controllare gli elementi di messa a fuoco, offrendo una precisione elevata e una messa a fuoco estremamente fluida e silenziosa. Questo lo rende ideale per la nuova generazione di obiettivi RF ibridi, destinati a filmmaker e fotografi.

Il motore USM ad anello è il motore AF più diffuso nella gamma di obiettivi Canon EF. Per essere efficace, un motore USM ad anello deve soddisfare determinati criteri. Deve essere abbastanza potente da controllare rapidamente e facilmente i gruppi di messa a fuoco a bassa velocità, in modo da eliminare il bisogno di un sistema di ingranaggi che riduca la velocità. Deve essere in grado di mantenere il gruppo ottico in posizione anche da spento, senza bisogno di ulteriori interventi. Deve essere facile da produrre. Deve azionarsi e bloccarsi rapidamente per garantire una reattività efficace durante la messa a fuoco. Deve anche essere il più possibile silenzioso quando è in funzione.

Inoltre i motori ad anello sono estremamente efficienti e a basso consumo energetico per massimizzare la durata della batteria della fotocamera. Data la forma ad anello, sono adatti a essere inseriti nel corpo dell'obiettivo. La velocità di messa a fuoco è estremamente controllata e rimangono stabili in un ampio intervallo di temperature, da -30°C a +60°C.

Il tipo di motore USM ad anello è semplicissimo. È composto da un rotore e da uno statore, ovvero da un elemento piezoelettrico ceramico collegato a un corpo elastico. L'applicazione di corrente alternata con frequenza risonante di circa 30.000 Hz allo statore dà origine a vibrazioni che provocano la rotazione continua del rotore. I motori USM prendono il nome dalla gamma ultrasonica a 30.000 Hz.

Come le onde del mare con una tavola da surf, i flussi di ultrasuoni generati dall'elemento piezoelettrico provocano la rotazione del rotore, che a sua volta sposta il gruppo di messa a fuoco. La commutazione di corrente tra due fasi differenti cambia la direzione delle onde di ultrasuoni. Di conseguenza, il gruppo di messa a fuoco può essere spostato e si ottiene così il controllo su direzione, velocità e grado di regolazione della messa a fuoco.

A differenza del motore USM ad anello, dove statore e rotore sono due componenti differenti, nel motore Micro USM il rotore, lo statore e il meccanismo di propulsione vengono combinati in una sola unità del peso di circa metà di un motore USM ad anello. Mentre il più potente motore USM ad anello è pensato per una perfetta integrazione nel corpo circolare dell'obiettivo, ideale per essere inserito in nei più grandi obiettivi zoom professionali, il motore Micro USM è progettato per essere utilizzato in un'ampia gamma di obiettivi senza restrizioni derivanti dalle dimensioni dell'obiettivo stesso. Inoltre i micromotori sono meno costosi da produrre, il che li rende ideali per essere inseriti in obiettivi di largo consumo, dove il prezzo è fondamentale.

In linea di massima, il motore Micro USM funziona come un motore USM ad anello, con vibrazioni ultrasoniche create da elementi piezoelettrici. È caratterizzato da quattro strati piezoelettrici, ognuno costituito da due elementi piezoelettrici alternati. Tali elementi non sono allineati, ma posizionati secondo fasi alternate di 90°. L'applicazione di corrente alternata alla sola fase A provoca la vibrazione dello statore verso destra e verso sinistra. L'applicazione di corrente alla fase B, invece, causa movimenti in avanti e indietro. L'applicazione di corrente a entrambe le fasi provoca un moto rotatorio non appena l'estremità dello statore si muove, per esempio verso sinistra, indietro, a destra, avanti, a sinistra, indietro, a destra, avanti. La forza di rotazione viene applicata al principale meccanismo di propulsione, che a sua volta viene utilizzato per controllare i meccanismi di messa a fuoco.

Sostanzialmente, il motore Micro USM II è una versione ridotta del motore Micro USM. Funzionano in modo analogo, ma la lunghezza dell'unità è stata notevolmente ridotta per consentirne l'utilizzo in obiettivi zoom ultra compatti. Tale riduzione è stata ottenuta riconfigurando il rotore e lo statore: anziché essere allineati in fila, parte dello statore è posizionata all'interno del rotore. Per farlo, è stato necessario creare un nuovo formato di vibrazione, così che la frequenza di risonanza degli elementi piezoelettrici non fosse troppo alta e l'ampiezza vibrazionale insufficiente.

Ne deriva che il motore Micro USM II pesa ed è grande circa la metà rispetto a un motore Micro USM, pur mantenendo quasi le stesse caratteristiche in termini di prestazioni. Grazie al suo formato ridotto, il motore Micro USM è ideale per essere inserito negli obiettivi zoom compatti. Tuttavia, i motori Micro USM e Micro USM II sono meno comuni oggi, a causa dell'introduzione di tecnologie più avanzate.

La tecnologia di motore di messa a fuoco successivamente sviluppata è un po' diversa. Presentati per la prima volta nel 2012, gli obiettivi STM sono ottimi per la fotografia, ma straordinari per le riprese video, grazie al motore STM (passo-passo) che garantisce una messa a fuoco fluida e silenziosa.

Un motore passo-passo sfrutta una corrente continua che passa attraverso diverse bobine organizzate in gruppi. La corrente fornita ai gruppi in sequenza provoca la rotazione del motore un passo alla volta. Più sono i gruppi, più precisi sono i passi o movimenti da compiere.

Quando la compattezza è fondamentale, Canon utilizza la tecnologia "gear-type STM". Questo sistema utilizza ingranaggi elicoidali per controllare la messa a fuoco, senza occupare troppo spazio. Gli obiettivi più grandi sono dotati di sistema STM di tipo lineare. È più grande delle unità "gear-type STM", ma più veloce e silenzioso.

La tecnologia Nano USM è stata introdotta nel 2016. Lo scopo era produrre un motore in grado di offrire ai fotografi una velocità elevata per i loro scatti, insieme alla regolazione fluida e stabile necessaria per le riprese video.

Come i precedenti motori USM, la tecnologia Nano USM sfrutta le vibrazioni degli ultrasuoni per creare movimento. Nonostante le dimensioni ridotte, offre elevate prestazioni di messa a fuoco automatica.

In modo analogo rispetto alle altre unità USM, all'interno del motore Nano USM è situato un corpo elastico in metallo, un elemento per la tensione in ceramica e una drive unit. L'invio di corrente e la variazione della tensione applicata agli elementi in ceramica creano due tipi di vibrazioni, che permettono al motore di controllare con precisione la velocità e la direzione della drive unit. Tuttavia, il movimento è lineare e non rotatorio: gli elementi di messa a fuoco dell'obiettivo sono controllati da una cremagliera, con guide che consentono il movimento in avanti e indietro. Ne deriva una messa a fuoco fluida, caratterizzata da un preciso controllo della velocità e un funzionamento pressoché impercettibile.

Come suggerisce il nome, il motore Dual Nano USM utilizza due motori Nano USM, ciascuno dei quali muove gruppi di lenti diversi. Questi gruppi non solo lavorano insieme per produrre una messa a fuoco più veloce ed efficiente, ma possono anche essere controllati in modo indipendente per ridurre il focus breathing durante le riprese video.

Lanciato nell'ottobre 2019, RF 70-200mm F2.8 L IS USM è stato il primo obiettivo dotato di tecnologia Dual Nano USM. Da allora, questa tecnologia è diventata una caratteristica fondamentale dei teleobiettivi RF professionali, come RF 100-300mm F2.8 L IS USM e RF 70-200mm F4 L IS USM, nonché degli obiettivi ibridi come RF 24-105mm F2.8 L IS USM Z.

L'innovazione più recente è il motore lineare VCM (Voice Coil Motor), potente e reattivo, caratterizzato da un design relativamente semplice e senza spazzole di funzionamento. Anziché utilizzare l'energia delle vibrazioni ultrasoniche per muovere il gruppo di lenti di messa a fuoco, sfrutta la forza magnetica per effettuare regolazioni AF rapide e fluide. L'unità di messa a fuoco è collegata a una bobina di filo posizionata tra i magneti di azionamento. Questi magneti si spostano avanti e indietro per regolare la posizione del campo magnetico, che a sua volta muove linearmente la bobina e l'unità di messa a fuoco nel corpo dell'obiettivo.

Come il motore Nano USM, la tecnologia VCM combina la velocità e la precisione richiesta dai fotografi professionisti con la messa a fuoco automatica fluida, stabile e pressoché silenziosa necessaria per le riprese video. I motori VCM, tuttavia, sono più efficienti nel muovere i gruppi di lenti di messa a fuoco più pesanti presenti negli obiettivi a focale fissa e negli zoom con ampie aperture massime.

L'obiettivo Canon RF 35mm F1.4 L VCM è stato il primo a includere un attuatore AF VCM, che in questo caso è abbinato a un motore Nano USM più piccolo. Questi motori di messa a fuoco lavorano in sinergia, con il motore VCM che controlla le quattro lenti di messa a fuoco più grandi e il motore Nano USM che regola un gruppo di lenti flottanti. I due gruppi di lenti diversi possono essere mossi simultaneamente o indipendentemente, con il sistema flottante che aiuta a ridurre il focus breathing, per una messa a fuoco cinematografica durante le riprese.

Per mantenere il gruppo di lenti di messa a fuoco in posizione, gli obiettivi VCM richiedono energia dalla fotocamera. Pertanto, quando la fotocamera è spenta o l'obiettivo non è montato, si potrebbe notare un leggero rumore e movimento dei componenti interni. Tutto ciò è normale e non influisce sulle prestazioni dell'obiettivo.