- Canon hat seit der Einführung von EOS/EF in EF-, EF-S-, EF-M-, RF- und RF-S-Objektiven unterschiedliche Autofokusmotoren eingesetzt, und die Unterschiede in der Fokusansteuerung je nach Objektivgeneration bestimmen Foto- und Videoleistung maßgeblich.
- Die Fokuslinsengruppe bewegt sich entlang der optischen Achse, doch die Art, wie dies erzeugt wird, teilt sich in Rotationsantrieb, der eine Drehbewegung umsetzt, und Linearantrieb, der die Linsengruppe direkt schiebt.
- Die Reihe von AFD, Ring-Type USM, DC Micro Motor, Micro USM, STM, Nano USM bis VCM unterscheidet sich in Geschwindigkeit, Geräuschentwicklung, Drehmoment und Steuerungsart; allein anhand der Bezeichnung USM lässt sich die innere Struktur nur schwer bestimmen.
- Full-Time Manual Focus wurde erstmals mit Ring-Type USM angeboten, und STM, Nano USM sowie VCM unterstützen dank Focus-by-Wire, bei dem der Fokusring die Antriebseinheit elektronisch steuert, stets eine manuelle Übersteuerung.
- Die aktuellen Nano USM und VCM bewegen die Fokuslinsengruppe ohne Rotations-zu-Linear-Umwandlungsmechanismus direkt und zielen in RF-Hybridobjektiven zugleich auf die Anforderungen von Foto und Video.
Grundstruktur der Canon-AF-Antriebe
- Beim Autofokus bestimmt das kamerainterne autofocus detection system die ideale Fokusposition und weist die AF-Antriebseinheit des Objektivs an, sich entsprechend zu bewegen.
- Canon hat Autofokus mit der Einführung des EOS-Systems und der EF-Objektive im Jahr 1987 als Standardfunktion ausgelegt.
- Die Fokuslinsengruppe bewegt sich linear entlang der optischen Achse, die Aktuatoren lassen sich jedoch grob in zwei Familien einteilen.
- Rotationsantriebssystem: Die Motordrehung wird über Präzisionsmechaniken wie einen Helical-Slot-Tubus oder eine Leitspindel in eine lineare Bewegung umgewandelt.
- Linearantriebssystem: Die Fokuslinsengruppe ist direkt mit einem Linearaktuator verbunden, sodass kein separater Umwandlungsmechanismus nötig ist.
- Frühe AF-Antriebe nutzten Rotationsbewegung wie AFD, Ring-Type USM, DC Micro Motor, Micro USM, Micro USM II und STM; später wurde dies um lineare Antriebe wie Nano USM und VCM erweitert.
Objektivbezeichnungen und manuelle Fokus-Übersteuerung
- Fehlt auf dem Objektivtubus eine Kennzeichnung der AF-Technik, verwendet das betreffende Canon-AF-Objektiv AFD oder einen DC Micro Motor.
- Die Kennzeichnung USM steht nicht für nur eine Motorstruktur.
- Zu Canons USM-Antrieben gehören Ring-Type USM, Micro USM I/II und lineares Nano USM.
- Alle drei Familien nutzen piezoelektrische Technik, ihr Mechanismus unterscheidet sich jedoch.
- Die Einführung von STM fiel zeitlich mit der Einführung des EF-M-Mount-Systems zusammen, und alle EF-M-Objektive verwenden Stepper-Motor-Technik.
- Full-Time Manual Focus, also die Möglichkeit, den manuellen Fokus auch bei aktivem AF zu übersteuern, unterscheidet sich stark je nach AF-Technik.
- Ring-Type USM war das erste AF-System, das diese Funktion bot.
- Bis 2012 boten die meisten anderen Objektive keine manuelle Fokussierung bei aktivem AF.
- STM, Nano USM und VCM bieten dank Focus-by-Wire, bei dem der Fokusring die AF-Antriebseinheit elektronisch steuert, immer FTM.
Arc-Form Drive, AFD
- AFD wurde von 1987 bis 1990 verwendet; anfangs war es die Abkürzung für autofocus drive, später wurde die Bedeutung in Arc-Form Drive geändert.
- Es war der erste in EF-Objektiven eingesetzte AF-Motor und umfasste eine Motoreinheit, einen Zahnradantrieb sowie einen Schaltmechanismus für den Wechsel zwischen manuellem und automatischem Betrieb.
- Durch seine bogenförmige Baugruppe ließ es sich leicht im zylindrischen Objektivtubus unterbringen.
- Beispiele für verwendete Objektive sind:
- Canon EF 15mm F2.8 Fisheye
- Canon EF 24mm F2.8
- Canon EF 28mm F2.8
- Canon EF 35mm F2
- Canon EF 50mm F1.8
- Canon EF 50mm F2.5 Compact Macro
- Canon EF 135mm F2.8 Softfocus
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Antrieb und Feedback
- AFD verwendet einen 2-phasigen bipolaren asymmetrischen Schrittmotor.
- Er besteht aus Statorkern, zwei elektromagnetischen Spulen und einem Permanentmagnet-Rotor.
- Durch die bipolare Struktur kann der Strom in jeder Spule in beide Richtungen fließen.
- Asymmetrisch bedeutet, dass die Form des Stators nicht rotationssymmetrisch ist wie bei gewöhnlichen Schrittmotoren.
- Ein Untersetzungsgetriebe senkt die Geschwindigkeit des Ausgangszahnrads und erhöht das Drehmoment.
- Zwei Feedback-Systeme überwachen den Betriebszustand.
- Zwei nahe am Rotor platzierte Hall-Effekt-Sensoren erkennen Änderungen des Magnetfelds und bestätigen so die Rotorrotation.
- Ein optisches Encoder-Rad mit abwechselnd schwarzen und reflektierenden Bereichen sowie ein Infrarot-Reflexionssensor messen die Anzahl der Rotationsschritte.
- Da AF-Anweisungen meist enthalten, wie viele Schritte in eine bestimmte Richtung gefahren werden sollen, ist das Encoder-Feedback für den Objektivcontroller wichtig.
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Grenzen
- Das Ausgangszahnrad von AFD ist zugleich das Übertragungselement, das den helicalen Fokustubus direkt antreibt.
- Ein mit dem AF/MF-Schalter verbundener Metallhebel koppelt das Ausgangszahnrad entweder an den Motor-Zahnradtrieb oder an das manuelle Eingangszahnrad.
- Ist es mit einer Seite verbunden, ist es von der anderen getrennt; daher wird Full-Time Manual Focus nicht unterstützt.
- Das Betriebsgeräusch ist hoch und der Antrieb ist langsamer als andere AF-Systeme; beim Verfolgen bewegter Motive fällt die Reaktionszeit spürbar auf.
- Nach dem Fokussieren muss die Blende nacheinander geschlossen werden, während Objektive mit anderen AF-Motoren AF-Motor und Blende gleichzeitig betätigen können.
- Trotz dieser Schwächen bieten AFD-Objektive eine zuverlässige Autofokusleistung.
Ring-Type Ultrasonic Motor, USM
- Der Ring-Type USM wurde im November 1987 zusammen mit dem Canon EF 300mm F2.8L USM eingeführt und wird seit 1987 bis heute verwendet.
- Er ist ein Aktuator, der Rotation nicht mit elektromagnetischen Spulen oder einem magnetischen Rotor erzeugt, sondern durch die Kombination aus piezoelektrischem Effekt und Reibung.
- Durch die Ringform passt er gut in das Innere des Objektivtubus, und das optische System verläuft durch die Mitte des Rings.
- Zum Zeitpunkt der Einführung war er mit seinem sehr schnellen und leisen Antrieb in Konstruktion und Funktion bahnbrechend.
- Dank des hohen Drehmoments kann er auch schwere Fokuslinsengruppen in Superteleobjektiven bewegen und lässt sich ohne Untersetzungsgetriebe direkt mit dem Fokussiermechanismus verbinden.
- Er besitzt auch bei 0 Eingangsleistung ein hohes Haltemoment, hat aufgrund der geringen Rotorträgheit sehr schnelle Start- und Stoppzeiten und ist unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern.
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Aufbau
- Die Hauptkomponenten sind Rotor, piezoelektrischer Stator und mehrere Stützringe.
- Der Rotor ist das einzige Bauteil, das sich während des Motorbetriebs tatsächlich um die optische Achse dreht; auf der dem Stator zugewandten Seite befindet sich eine Gleitbahn.
- Der Stator ist ein elastischer Metallkörper, auf dessen Rückseite ein Ring aus piezoelektrischen Keramikelementen aufgeschweißt ist.
- Wird die piezoelektrische Schicht elektrisch angeregt, schwingt der Stator, und die Schwingungsenergie wird über Reibung auf den Rotor übertragen.
- Ein Filzring schützt die empfindliche piezoelektrische Schicht vor den metallischen Stützringen und reduziert die in den Objektivtubus übertragenen Vibrationen.
- Eine Druckfeder sorgt für die Vorspannung, die Stator und Rotor stark gegeneinander presst und für den Betrieb des Ring-Type USM unverzichtbar ist.
- Canon verwendet Statorringe in zwei Größen mit 62 mm und 77 mm Außendurchmesser.
- Beispiel für 62 mm: Canon EF 24mm F1.4 L USM, EF 50mm F1.2 L USM, EF 100mm F2 USM
- Beispiel für 77 mm: Canon EF 400mm F2.8 L IS USM, EF 600mm F4 L IS USM
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Piezo-Ring und Wanderwelle
- Damit der Motor funktioniert, muss der Stator präzise schwingen; diese Schwingung wird durch einen segmentierten piezoelektrischen Keramikring erzeugt, der auf die Rückseite des elastischen Stators geschweißt ist.
- Die piezoelektrischen Elemente sind in die Gruppen A und B unterteilt, die mit einer räumlichen Phasenverschiebung von λ/4 angeordnet sind.
- Jedes piezoelektrische Element sitzt zwischen Elektroden und biegt sich bei angelegtem elektrischem Feld durch den inversen piezoelektrischen Effekt nach oben oder unten.
- Wird eine hochfrequente Wechselspannung angelegt, schwingt der Statorring, wobei die Schwingungsamplitude bei etwa 1–2µm liegt.
- Werden die Gruppen A und B jeweils angeregt, entstehen stehende Wellen; werden beide Gruppen gleichzeitig mit einer zeitlichen Phasenverschiebung von λ/4 angeregt, überlagern sich die stehenden Wellen zu einer Wanderwelle.
- Die Resonanzfrequenz des Canon Ring-Type USM liegt bei etwa 27.000Hz und damit im Ultraschallbereich, weshalb er Ultrasonic Motor genannt wird.
- Die Richtung der Wanderwelle ändert sich mit dem Vorzeichen der zeitlichen Phasenverschiebung, wodurch sich auch die Drehrichtung des Rotors umkehrt.
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Feedback und Energieumwandlung
- Im Statorring gibt es neben den piezoelektrischen Elementen zur Wellenerzeugung auch kleine Sensor-Piezoelemente, die die Schwingungsstärke messen.
- Da piezoelektrische Elemente bei Verformung eine Spannung erzeugen, spiegelt das Sensorsignal die Amplitude der Statorwelle an der jeweiligen Position wider.
- Die Steuerschaltung nutzt dieses Signal, um die Frequenz der A/B-Phasen anzupassen, auf die Eigenresonanzfrequenz des Stators abzustimmen und die Amplitude der Wanderwelle zu maximieren.
- Die Eigenresonanzfrequenz kann je nach Fertigungstoleranzen und Stator-Temperatur variieren.
- Der Betrieb ist eine zweistufige Umwandlung: Elektrische Energie wird in wellenförmige Schwingungen des piezoelektrischen Stators umgewandelt, und die Ultraschallschwingung von etwa 27 kHz wird über Reibung in eine kontinuierliche Rotation in eine Richtung umgesetzt.
- Unter den Beispielbedingungen gibt es 9 Wellenberge auf dem Stator, und bei einer Anregung mit 27.000Hz läuft ein Wellenberg rechnerisch 3.000-mal pro Sekunde um den Umfang des Stators.
- Die tatsächliche Rotordrehzahl liegt bei kontinuierlicher Anregung typischerweise bei 70–90rpm und kann per Pulsweitenmodulation reduziert werden.
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Grenzen und FTM
- Da Reibung genutzt wird, ist er nicht für Dauerbetrieb ausgelegt, und die zu erwartende Lebensdauer ist geringer als bei gewöhnlichen Elektromotoren.
- Ultraschallgeräusche sind für das menschliche Ohr nicht hörbar, können aber von empfindlichen Mikrofonen aufgenommen werden und bei Videoaufnahmen zum Problem werden.
- Wegen der CNC-Präzisionsbearbeitung der Statorverzahnung, der Herstellung und Verarbeitung piezoelektrischer Keramik sowie der Hochfrequenz-Stromversorgung und Feedback-Steuerschaltung sind die Produktionskosten hoch.
- Der Full-Time Manual Focus des Ring-Type USM ist keine Funktion der Ultraschall-Antriebseinheit selbst, sondern wird durch einen rotierenden Differenzialmechanismus ermöglicht.
- Am Ausgangsring befinden sich drei kleine Räder, die zwischen dem manuellen Eingabering und dem Motoreingangsring sitzen.
- Durch diese Differenzialstruktur kann entweder der manuelle Fokusring oder der Motoreingang den Ausgangsring drehen, ohne die Kraft zwangsweise auf den jeweils anderen Eingang zu übertragen.
- Wenn sich einer der beiden Eingangsringe nicht bewegt, beträgt die Ausgangsgeschwindigkeit die Hälfte der Eingangsgeschwindigkeit.
DC Micro Motor
- Der DC Micro Motor wurde von 1990 bis 2012 verwendet und wird auch als MM abgekürzt.
- Äußerlich ähnelt er dem AFD und überträgt die Motorleistung ebenfalls über ein Untersetzungsgetriebe auf den Fokuslinsentubus, der Motor selbst ist jedoch kein Schrittmotor, sondern ein winziger Gleichstrommotor.
- Zusammen mit dem AFD gilt er als eine der am wenigsten fortschrittlichen AF-Motorarten in Canon-Objektiven und wurde vor allem in günstigen AF-Objektiven eingesetzt.
- Beispiele für verwendete Objektive sind das Canon EF-S 18-55mm F3.5-5.6, EF 50mm F1.8 II und die EF 75-300mm F4-5.6-Serie.
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Getriebezug und Encoder
- Da der Gleichstrommotor bei Stromversorgung sehr schnell rotiert, reduziert der Getriebezug mit einem hohen Untersetzungsverhältnis die Drehzahl und erhöht das Ausgangsdrehmoment.
- Ein Hebel verschiebt eines der Zahnräder zwischen zwei Positionen.
- In der Grundstellung ist der Getriebezug geschlossen, sodass die Motordrehung auf das Ausgangszahnrad übertragen wird.
- Wird der AF/MF-Schalter auf MF gestellt, werden die Zahnräder getrennt, wodurch die Verbindung zwischen Motor und Ausgangszahnrad unterbrochen wird.
- Aufgrund dieser Konstruktion unterstützt der DC Micro Motor keinen Full-Time Manual Focus.
- Eine kleine Riemenscheibe auf der Rotorwelle treibt über einen Gummiriemen eine größere Riemenscheibe an; dieser Riemenantrieb hilft, die beim Motorbetrieb entstehenden Vibrationen zu verringern.
- Am ersten Zahnrad ist ein Encoder-Rad mit vielen kleinen Löchern am Umfang befestigt, und ein Infrarotstrahl mit Sensor erkennt das Passieren der Löcher und zählt so die Schritte.
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Funktionsweise des gebürsteten DC-Motors
- Der genaue Motortyp ist ein 2-poliger, 3-spuliger gebürsteter DC-Motor.
- Die beiden Anschlüsse auf der Rückseite sind mit Metallbürsten verbunden, die den Rotorkommutator berühren und Strom zuführen.
- Der Rotor besitzt drei auf einen Metallkern gewickelte Spulen; jede Spule ist ein Elektromagnet, dessen Polarität umkehrbar ist.
- Die Betriebsspannung beträgt 4–6V DC, und dank der Kommutatorstruktur wechseln die Spulen genau in dem Moment ihre elektrische und magnetische Polarität, in dem sie den Permanentmagneten am nächsten kommen.
- Nach diesem Prinzip kann der kleine DC-Motor mit bis zu 6.000rpm laufen, und bei umgekehrter Spannungspolarität an den Bürsten dreht er sich in die entgegengesetzte Richtung.
- Er arbeitet allein mit DC-Spannung und benötigt daher keine komplexe Treiberschaltung wie ein Schrittmotor, die Steuerschaltung muss jedoch vergleichsweise hohe Ströme verarbeiten können.
- Da das Drehmoment begrenzt ist, wird er fast immer in kompakten Objektiven mit kleinen und leichten Fokuslinsengruppen eingesetzt, und die Betriebsgeräusche sind relativ laut.
Micro USM und Micro USM II
- Micro USM wurde 1992 eingeführt, Micro USM II folgte 2002 mit einem ultrakompakten Design, das nur halb so groß wie die ursprüngliche Version war
- Beide Serien wurden bis 2016 verwendet und sind weitere Mitglieder von Canons Ultraschallmotor-Familie
- Es handelt sich um kleine zylindrische Ultraschallmotoren mit 11 mm Durchmesser, die mithilfe piezoelektrischer Keramikelemente Schwingungen erzeugen
- Die ursprüngliche Länge von Micro USM beträgt 26,7 mm, die von Micro USM II 13,4 mm
- Das Abtriebszahnrad ist über ein Getriebe zur Untersetzung und Drehmomenterhöhung mit dem Fokusnockenrohr verbunden
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Laminierte piezoelektrische Elemente und Nutation
- Micro USM ist so aufgebaut, dass Rotor, Stator, Hilfsteile und Stützstruktur auf eine Metallwelle aufgepresst und gestapelt sind
- Der Stator besteht aus einem LPE, also einem laminated piezoelectric element, das zwischen zwei Metalloszillatoren eingespannt ist
- Da die Schwingungsamplitude einzelner piezoelektrischer Scheiben sehr klein ist, werden etwa 25 runde Scheiben gestapelt, um ein mehrschichtiges zylindrisches Bauteil zu bilden
- Die Hälften der Scheiben sind in entgegengesetzte Richtungen polarisiert und können in den beiden Phasen A/B angeregt werden
- Wird das LPE in den beiden Phasen mit Hochfrequenzspannung angeregt, die eine zeitliche Phasenverschiebung von λ/4 aufweist, führt der Stator eine Nutationsbewegung um die Achse aus
- Diese Nutation wirkt an der Oberseite des Oszillators wie ein einzelner entlang des Umfangs wandernder Wellenberg und ein Wellental; die Amplitude beträgt nur etwa 2 µm und ist daher nicht sichtbar
- Die Reibung aus dem Druckkontakt zwischen Stator und Rotor überträgt Energie auf den Rotor, und Rotor sowie Abtriebszahnrad drehen sich entgegen der Richtung der Wanderwelle des Stators
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Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu Ring-Type USM
- Beide Motoren erzeugen mit piezoelektrischen Elementen die Biegeschwingung des Stators und verstärken die Oszillatorschwingung durch Ultraschallanregung
- Sie erzeugen auf der Statoroberfläche eine Wanderwelle und drehen den Rotor durch Reibung entgegen der Richtung dieser Wanderwelle
- Beide Motoren sind für das menschliche Ohr nicht hörbar, aber empfindliche Mikrofone können Geräusche bei Videoaufnahmen erfassen, und sie sind nicht für einen langen Dauerbetrieb ausgelegt
- Ring-Type USM erzeugt auf einem ringförmigen Stator 7–9 Wanderwellen
- Micro USM führt in einem zylindrischen Stator eine Nutationsbewegung aus, die eher einem einzelnen Wellenberg und Wellental entspricht
- Micro USM ist deutlich kleiner, hat aber eine relativ hohe Abtriebsdrehzahl und benötigt daher ein Untersetzungsgetriebe
- Micro USM und Micro USM II sind vergleichsweise günstig in der Herstellung und werden daher in Objektiven der Einsteiger- und Mittelklasse eingesetzt
- Beispielobjektive sind Canon EF 70-300mm F4-5.6 IS USM, EF 90-300mm F4.5-5.6 USM, EF 28-105mm F4-5.6 USM, EF-S 18-55mm F3.5-5.6 II USM usw.
Stepper Motor, STM
- Canon kündigte im Juni 2012 das EF 40mm F2.8 STM und das EF-S 18-135mm F3.5-5.6 IS STM an; diese Objektive verwendeten die STM-Kennzeichnung erstmals
- STM ist die Abkürzung für stepper motor; zwar wurde auch bei AFD Schrittmotor-Technik verwendet, doch die Motoren der STM-Objektive sind deutlich kleiner und anders aufgebaut
- Canon-STM-Objektive bieten einen sehr leisen und weichen AF-Betrieb und gelten daher als gute Wahl sowohl für Foto- als auch für Videoaufnahmen
- STM wird nicht nur bei EF- und EF-S-, sondern auch bei aktuellen RF- und RF-S-Objektiven широко verwendet
- Beispiele für eingesetzte Objektive sind Canon EF 40mm F2.8 STM, EF-S 24mm F2.8 STM, RF 28-70mm F2.8 IS STM, RF-S 18-45mm F4.5-6.3 IS STM usw.
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Zwei Übertragungsarten
- Canon verwendet bei STM zwei Übertragungsarten, um die Drehbewegung des Motors in die lineare Bewegung der Fokuslinsengruppe umzuwandeln
- Lead-Screw-Type STM: Ein Schneckenantrieb bewegt die Fokuslinseneinheit entlang zweier Führungsschienen in axialer Richtung
- Gear-Type STM: Verwendet Zahnräder und ist schließlich mit einem Fokusrohr mit Helixnuten verbunden
- Die Übertragungsart unterscheidet sich, der eigentliche Schrittmotor ist jedoch identisch
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Can-Stack-Design
- Der Motor in STM-Objektiven ist ein zweiphasiger bipolarer Schrittmotor mit Permanentmagnetrotor
- Anders als beim AFD-Schrittmotor verwendet die STM-Version einen rotationssymmetrischen Stator
- Canon-STM-Motoren besitzen 20 Feldpole, also 10 Feldpole pro Phase
- Jede Phasenwicklung ist von einer Stahlschale umgeben, und dreieckige Zahnstrukturen ragen abwechselnd zur Mitte hin
- Die Statorzahnringe der Phasen A und B müssen um 18 Grad gegeneinander versetzt sein; dieser Aufbau wird als can-stack- oder tin-can-Design bezeichnet
- Der Rotor ist ein Ferritkeramikzylinder, der in einem 10-poligen Muster magnetisiert ist
- Nach einem Betrieb in 4 Schritten dreht sich der Rotor um 72 Grad, für eine vollständige Umdrehung sind 20 Schritte erforderlich
- Da der Rotor dem Magnetfeld präzise folgt, ist kein separates Feedback-Steuerungssystem nötig
- Die Motoren in Canon-STM-Objektiven sind mit 8 mm Durchmesser extrem klein und sogar kleiner als ein DC Micro Motor
- Aufgrund dieser Größe eignet sich STM eher für kleine Fokussierelemente und wird wahrscheinlich nicht in schweren Superteleobjektiven eingesetzt
- Canon-STM-Objektive verwenden focus-by-wire und unterstützen daher jederzeit Full-Time Manual Focus
Nano USM
- Nano USM ist die neueste Ergänzung von Canons Ultraschallmotor-Familie und wird seit 2016 bis heute eingesetzt
- Canon führte Nano USM erstmals mit dem Objektiv EF-S 18-135mm F3.5-5.6 IS USM ein und stellte im selben Jahr den früheren Ultraschallmotor Micro USM ein
- Nano USM erzeugt Schwingungen mit piezoelektrischen Keramikelementen, erzeugt aber keine rotierende Ausgangsbewegung
- Es handelt sich um einen linearen Antrieb, der ohne Helixrohr oder Gewindespindel eine lineare Bewegung erzeugt und die Fokuslinsenzelle direkt entlang der Führungsschienen axial verschiebt
- An der Fokuslinseneinheit ist ein Positionsencoder mit abwechselnd dunklen und reflektierenden Streifen angebracht, ein Infrarotsensor zählt die Bewegungsschritte
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Aufbau des Aktuators
- Die Kernkomponente ist der Nano-USM-Aktuator, ein kleines elastisches Metallteil mit einer Länge von etwa 20 mm
- An der Unterseite ist ein piezoelektrisches Keramikelement befestigt, auf der Unterseite der piezoelektrischen Schicht befinden sich drei Elektroden
- Zwei kleine Vorsprünge an der Oberseite stehen mit einer festen Gleitschiene unter Druckkontakt
- Trotz seiner sehr kleinen Bauform erzeugt er ein vergleichsweise hohes Ausgangsdrehmoment sowie schnelles Anfahren und Stoppen und eine steuerbare hohe Ausgangsgeschwindigkeit
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Zwei Schwingungsmodi und lineare Bewegung
- Nano USM geht im Betrieb in zwei verschiedene Biegeschwingungsmodi über
- Modus 1 ist ein aus der Ebene wirkender Biegeschwingungsmodus, der den Aktuator in eine sattelförmige Gestalt bringt
- Modus 2 ist ein weiterer aus der Ebene wirkender Biegeschwingungsmodus, der den Aktuator wellenförmig verformt
- Beide Modi werden mit Hochfrequenzspannung nahe der jeweiligen Eigenresonanzfrequenz des elastischen Metallkörpers angeregt
- Durch die Kombination beider Schwingungsmodi bewegen sich die Kontaktpunkte elliptisch, und durch die reaktive Reibungskraft mit der festen Gleitschiene bewegt sich der Nano-USM-Rahmen linear
- Die tatsächliche Amplitude ist sehr klein, daher ist die Verformung im Betrieb nicht sichtbar
- Die Ultraschall-Anregungsfrequenz ist für das menschliche Ohr nicht hörbar und wird wahrscheinlich auch nicht von Mikrofonen erfasst
- Da die Leistung etwas geringer ist, wird Nano USM bevorzugt zum Bewegen kleinerer Linsengruppen eingesetzt
- Auch Nano-USM-Objektive unterstützen über focus-by-wire Full-Time Manual Focus
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Dual Nano USM
- Das 2019 eingeführte Canon RF 70-200mm F2.8L IS USM war das erste Objektiv mit Dual-Nano-USM-Technologie
- Dual Nano USM installiert zwei kleine Ultraschall-Antriebseinheiten im Objektivtubus
- Jeder AF-Antrieb bewegt eine der beiden internen Fokusgruppen
- Eine ist für die Fokusgruppe zuständig
- Eine ist für die Floating-Gruppe zuständig
- Auch in das Canon RF 100-300mm F2.8 L IS USM ist ein Dual-Nano-USM-System integriert
Voice Coil Motor, VCM
- VCM wird seit 2024 als AF-Antrieb in Fotoobjektiven von Canon eingesetzt
- Canon verwendet Voice-Coil-Motoren bereits seit Längerem zum Antrieb der image stabilization unit, und in Cine-Objektiven werden sie seit Jahrzehnten auch als AF-Antrieb genutzt
- Das Canon RF 35mm F1.4 L VCM ist das erste Fotoobjektiv mit Voice-Coil-Motor
- VCM bietet zugleich kompakte Bauform und geringes Gewicht, schnelle Reaktion, präzise Positionssteuerung, hohe Antriebskraft und geringe Reibungsverluste
- Durch das lineare Design sind weder ein Helicoid-Tubus noch eine Gewindespindel nötig, um eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umzuwandeln, und selbst bei empfindlichen Mikrofonaufnahmen arbeitet es praktisch geräuschlos, sodass es sich sowohl für Foto als auch Video eignet
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Funktionsprinzip
- Im Canon RF 35mm F1.4 L VCM sind zwei identische Voice-Coil-Motoren am Fokuslinsenträger befestigt
- Die symmetrische Struktur verhindert einseitige Belastungen im Mechanismus und gewährleistet eine sanfte Gleitbewegung
- Jede Voice Coil wird von einer durch die Mitte verlaufenden Führungsschiene getragen, die den axialen Bewegungsbereich definiert
- Auf beiden Seiten der Spule sind oben und unten starke Permanentmagnete angeordnet, sodass das Magnetfeld die Spule durchdringt
- Fließt Strom durch die Spule, wirkt die Lorentz force auf sie und bewegt sie entlang der Führungsschiene in axialer Richtung
- Die erzeugte Kraft ist proportional zur magnetischen Flussdichte und zur Stromstärke, und ihre Richtung hängt von der Stromrichtung ab
- Durch Anlegen ultrakurzer Spannungspulse an die Spule lässt sich der Antrieb in die gewünschte Richtung sehr präzise steuern
- Ein Nachteil ist, dass auch dann, wenn sich die Fokuslinse nicht bewegt, die Positionssteuerung aktiv bleiben muss, um die Spulenposition zu halten
RF-Hybridobjektive und die Kombination aus VCM/Nano USM
- Mit dem Einsatz von VCM in RF-Objektiven hat Canon eine Serie von Hybridobjektiven eingeführt, die gleichermaßen auf die Anforderungen von Fotografen und Videoproduzenten abzielt
- Diese Objektive sind L-Objektive mit RF-Bajonett und so konzipiert, dass sie die Vorteile von Foto- und Videotechnik kombinieren, etwa einen manuellen Blendenring, wie man ihn vor allem von Cine-Objektiven kennt
- Beispiele für Hybrid-RF-Objektive sind:
- Canon RF 24mm F1.4 L VCM
- Canon RF 35mm F1.4 L VCM
- Canon RF 50mm F1.4 L VCM
- Das Canon RF 35mm F1.4 L VCM verwendet zwei AF-Antriebssysteme zusammen
- Ein Paar VCM treibt die Hauptfokuslinsengruppe an
- Eine Nano USM-Einheit treibt das Floating-Linsenelement an
- Die Hauptfokuslinsengruppe besteht aus vier Linsenelementen und ist daher recht schwer, weshalb ein starkes AF-System erforderlich ist
- Die Floating-Linse besteht aus einem einzelnen Element und kann daher auch von einem kleineren Nano USM ausreichend angetrieben werden
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Seit Canon bei RF-Objektiven Drittanbieter blockiert, kommt Canon für mich nicht mehr infrage
Ich habe das letzte AF-Objektiv von Viltrox gekauft, es war großartig, und nachdem Canon Druck gemacht hat, bereue ich es, ein RF-Gehäuse gekauft zu haben
Derzeit werden Drittanbieter nur bei Crop-Sensor-Gehäusen zugelassen; Fuji, Sony, Leica und Nikon erlauben alle Drittanbieter-Objektive, also bin ich zu Fuji gewechselt und habe nicht vor, zurückzugehen
Ich mag Canon, aber ein geschlossenes Objektivsystem ist nicht ideal, und die Preise sind absurd hoch
Auch die Adapter, mit denen man Drittanbieter-Objektive nutzen kann, taugen alle nichts
Ich vermisse die Zeit, als das frühere EF-Bajonett wie eine gemeinsame Sprache für Autofokus-Bajonette genutzt wurde und ein lebendiges Objektiv-Ökosystem mit Sigma, Tamron und anderen existierte
Selbst heute sind unter den Sigma-Art-Objektiven für SLR-Bajonette Dinge wie das 40mm und das 105mm f/1.4 in puncto Bildqualität kaum zu übertreffen
Ich dachte, sie würden das Bajonett endlich für Drittanbieter öffnen, und es ist wirklich enttäuschend zu hören, dass das in Wirklichkeit nicht der Fall ist
Wenn Canons Objektivpalette insgesamt großartig wäre, wäre ich weniger verärgert, aber bei den RF-Ultraweitwinkel-Zooms sind alle entweder weich oder haben starkes Vignettieren
Ich habe das RF 15-35mm für 2200 Dollar zurückgeschickt, und Landschaftsfotos mache ich jetzt einfach mit dem iPhone Pro
Früher musste man manuell fokussieren, wenn man Hunde fotografieren wollte
Beim frühen Ring-USM-AF meines 85mm/1.8 erzeugte das Objektiv einen für mich scheinbar unhörbaren Ton, der meinen Hund wahnsinnig machte und ihn aus dem Zimmer flüchten ließ
Zuerst dachte ich, es sei ein psychologischer Effekt, weil ich die Kamera auf ihn richtete, aber eines Nachts versteckte ich mich hinter dem Vorhang und ließ nur den AF-Motor laufen, und der Hund verließ sofort das Zimmer
Spätere USM-AF-Motoren waren für den Hund leise, und ab dann war es für ihn in Ordnung, fotografiert zu werden
Am Anfang könnte das so gewesen sein, aber inzwischen mag er überhaupt keine Kamera mehr, egal ob mit USM oder nicht
Wirklich eine tolle Website
Dieser Artikel desselben Autors behandelt die eher algorithmische Frage, wie Kameragehäuse tatsächlich entscheiden, wie sie diese Motoren einsetzen, wenn man den „Fokus“-Knopf drückt: https://exclusivearchitecture.com/03-technical-articles-DSLR...
Ich konnte keinen Artikel dazu finden, wie das Kameragehäuse entscheidet, ob es sich um das gewünschte Motiv handelt oder nicht
Wenn man sieht, dass Menschen- oder Vogelfaces erkannt werden können, scheint da wohl eine gewisse Art von Machine Learning im Spiel zu sein
Einige hochwertige klassische DSLRs hatten zur Unterstützung des AF-Systems einen „hochauflösenden“ Belichtungssensor mit etwa 0,1 MP, Canon iSA und iTR sind Beispiele dafür https://www.canon.com.hk/cpx/en/technical/pa_Overview_of_65-...
Traditionell wurde entweder auf den vom Fotografen ausgewählten einzelnen Fokuspunkt fokussiert, oder in Fokusmodi für größere Bereiche wurde normalerweise der nächstgelegene Punkt unter diesen ausgewählt
In Tracking-AF-Modi muss verhindert werden, dass der Fokus plötzlich springt, wenn ein Objekt im Vordergrund das ursprüngliche Motiv kurz verdeckt, und zugleich muss die Bewegung vorhergesagt werden, um schnell bewegten Motiven zu folgen
Bei High-End-Modellen kann man einstellen, ob die Motivverfolgung reaktionsfreudiger sein oder eher am Motiv „kleben“ soll, und auch, wie linear die Bewegung des Motivs ist
Ich weiß nicht, wie das funktionierte, aber ich hätte gern die Fotos gesehen, mit denen dieses System vor 25 Jahren „trainiert“ wurde
Als jemand, der seit Mitte der 80er Canon nutzt, war das wirklich spannend zu lesen
Es gab auch eine ganze Sammlung von Artikeln über Canon-Objektivtechnik: https://exclusivearchitecture.com/03-technical-articles-CLT-...
Die meisten davon sind bereits fertig
Wirklich interessante Arbeit
Es hat mich ständig genervt und ich habe mich immer wieder darüber beschwert, dass es schlicht keine vernünftige Möglichkeit gibt, die Fokusmotoren dieser Objektive beim Filmen direkt mit einem Follow-Focus-Rad zu steuern.
Videografen wickeln deshalb bereits grobe Zahnkränze um die Außenseite von Objektiven, die ohnehin schon eingebaute Fokusmotoren haben, und schrauben zusätzlich sperrige mechanische Follow-Focus-Systeme daran.
Es wirkt so, als wollten die Hersteller keine direkte Steuerung freigeben, um ihre „Cinema“-Objektivlinien mit manuellen Standardobjektiven für mehrere tausend Dollar zu schützen.
Trotzdem verkaufen sie Objektive, die nur dem Namen nach „hybrid“ und angeblich besser für Video sind, aber nicht einmal einen Zahnkranz-Fokusring haben, der zu Follow-Focus-Systemen passt, und auch keinen Steuerport, um den AF-Motor über ein Fokusrad anzutreiben.
Ich habe mir das SDK zur Steuerung von Canon-Kameras angesehen, und dort fehlte die Fokussteuerung in der gesamten Produktlinie, abgesehen von zwei PTZ-Kameras, die für Filmzwecke ungeeignet sind.
https://www.nikon.com/company/news/2025/0213_imaging_02.html
Dabei werden Dutzende Aufnahmen mit sehr kleinen Fokusunterschieden gemacht und später in Photoshop zusammengesetzt.
Es hat Zeit gekostet, die API zu finden, weil Sony zwar eine gebaut, sie dann aber fast vollständig aus dem Internet entfernt und auch meine Anfrage-Mail ignoriert hat.
Selbst mit API ist es schwierig, brauchbare Ergebnisse zu bekommen.
Ob sich der Fokusmotor wirklich sauber um genau einen Schritt bewegt, scheint davon abzuhängen, wie ausgelastet die Kamera in dem Moment ist, und ich probiere verschiedene Kombinationen aus [Aufnahme] - [Warten] - [Fokus verschieben] - [Warten] - [Aufnahme] aus, aber es wirkt viel zu zufällig, welche Schritte tatsächlich erfolgreich sind.
Ich wollte schon immer wissen, wie verschiedene Autofokus-Systeme funktionieren, und diese Seite ist großartig.
Ich nutze selbst Nikon, daher wäre es schön, auch so einen Artikel über Nikons Autofokus-Systeme zu haben.
Ich habe immer noch ein paar Autofokus-Objektive, die überhaupt keinen AF-Motor im Objektiv haben; stattdessen sitzt der Motor im Kameragehäuse, und eine kleine Schraube im Objektivbajonett überträgt die Drehbewegung auf die Fokuselemente im Objektiv.
Bei meinen Kameras war diese Bauweise sehr langsam und laut.
Bei Canon hingegen scheint „keine Belichtungsmessung“ fast nie ein Problem zu sein.
In mehreren Jahrzehnten mit Canon-DSLRs habe ich zweimal erlebt, wie Nikon sich selbst ins Knie geschossen hat.
Als Nikon die „E“-Objektive mit elektronischer Blende eingeführt hat, wie bei Canon und allen modernen Konstruktionen üblich, gab es nur sehr wenige kompatible Gehäuse, und ihnen fehlte die Weitsicht, vor der Einführung der Objektive zuerst eine Basis kompatibler Gehäuse zu schaffen.
Zum Beispiel ist beim 2008 erschienenen Objektiv https://www.kenrockwell.com/nikon/24mm-pc.htm das früheste kompatible Gehäuse aus dem Jahr 2007, und es funktioniert weder mit vielen DX-Gehäusen wie der D90 noch mit irgendeiner Filmkamera.
Als Nikon 2016 AF-P-Objektive mit Schrittmotor eingeführt hat, gab es ebenfalls keine kompatiblen Gehäuse von vor 2013; auch da fehlte wieder die Zukunftssicherheit.
Canon hat die Nutzer beim Übergang vom FL- zum FD-Bajonett und vom FD- zum EF-Bajonett zwar zweimal verärgert, aber mit EF lagen sie fast genau richtig: vollständig elektronisch, kein Blendenhebel, keine Fokus-Schraube, großer Durchmesser.
Ich habe ein Canon Ring USM AF- und IS-Objektiv von 2017 an das erste EOS-650-Filmgehäuse von 1987 gesetzt, und AF sowie IS funktionierten perfekt.
Das sind Funktionen, die es bei der Einführung von EOS noch gar nicht gab; offenbar ist das AF-Elektronikprotokoll unabhängig von der Motortechnik im Objektiv, und IS kann das Objektiv allein erledigen, ohne dass das Gehäuse davon etwas wissen muss.
Nikons Kompatibilitätsfallen sind kein Vergleich zu Canons hervorragender, wenn auch nicht perfekter Kompatibilität.
Nikon wiederholt denselben Fehler weiterhin, etwa indem sie den F-Z-Bajonettadapter nicht mit einem schraubgetriebenen Motor ausstatten, und wirkt wie ein Unternehmen, das Leute mit älteren Objektiven und Gehäusen nicht leiden kann.
Ganz neu ist das auch nicht, denn auch beim Nikon-F-1-Adapter fehlten bestimmte Funktionen.
Ultraschallmotor = AF-S (1998), Schrittmotor = AF-P (2016), Voice-Coil-Motor = SSVCM (2022)
https://imaging.nikon.com/imaging/lineup/lens/glossary/
Diese piezoelektrischen Antriebe sind wirklich cool.
Video, das den Mechanismus zeigt: https://www.youtube.com/watch?v=7iHL4ZCkCKc
Video eines solchen Motors bei voller Geschwindigkeit: https://www.youtube.com/watch?v=JtttNnmCVmU
Der Antrieb im zweiten Video scheint mit Canons Nano USM verwandt zu sein.
Oder gibt es andere Unternehmen, die auf solche Bauteile spezialisiert sind?
Was die Leser hier vielleicht interessieren könnte: Diese Motortypen sind alle Open Loop, sodass sich ein bestimmter Zustand nicht exakt und reproduzierbar ansteuern lässt.
Das heißt, selbst wenn man dem Objektiv zum Beispiel das Signal gibt, auf 3 m zu fokussieren, gibt es keine Garantie, dass es beim nächsten 3-m-Fokus exakt im gleichen Zustand ist.
Deshalb kann die Kalibrierung der Kamera schwierig sein, und oft möchte man die Kamera nach der einmaligen Kalibrierung nicht mehr anfassen.
Großartiger Artikel
Ich habe ein EF 400mm f2.8 der zweiten Generation, und dieses Objektiv fokussiert auf einer alten 7Dmk2 deutlich schneller als auf der viel neueren R6Mk2
Bei allen anderen Objektiven ist es umgekehrt, daher frage ich mich, warum das so ist
Ich habe zwar gehört, dass die alten 7D- und 1D-Bodies den AF-Motoren möglicherweise mehr Leistung liefern, aber ich habe dazu keine bestätigten Informationen gesehen
Tut mir leid, dass ich keine Erklärung liefern kann; wenn ich Zeit finde, kann ich tiefer einsteigen, aber ich kann nichts versprechen
@ExAr, das ist eine wahre Fundgrube an Informationen, und ich danke dir für die Mühe
Ich frage mich, ob du auch in deinem Blog schreibst, wie du solche Grafiken erstellst
Zum Beispiel ist dieses Sucherbild https://exclusivearchitecture.com/images/technical-articles/... wirklich beeindruckend
Ich frage mich, wie du die Lichtstrahlen und das Auge simuliert hast
Den tatsächlichen Lichtweg im Sucherbild habe ich mit Hilfe eines japanischen Optikingenieurs gezeichnet, der eine professionelle Raytracing-Simulation liefern konnte