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对焦那点事儿 佳能顶级单反镜头探秘之4

http://www.it.hc360.com2012年02月27日08:37IT168

    佳能单反之所以受到广大行业用户、尤其是专业体育摄影师的青睐,其关键因素之一就是其镜头在对焦速度上的优势。所以,在介绍过佳能镜头中的镜片镀膜以及光学防抖技术之后,今天我们就将为你详细介绍一下佳能镜头中的对焦技术。

高速AF的秘密——USM

  提到佳能的EF自动对焦镜头就必须要提到USM(超声波马达),它是如今佳能中高级单反镜头的必备配件之一。

高速AF的秘密——USM
▲佳能超声波马达一览

  环形超声波马达首次亮相是在1987年推出的的EF 300mm f/2.8L USM镜头上,这项创举刚一出现就凭借其安静、疾速的自动对焦表现惊艳摄影圈。之后在1990年,佳能已经建立起可以为大量著名经典型号镜头安装环形USM的批量生产线。紧接着在1992年,微型超声波马达诞生,这项改进为USM增加了自动化技术。到2002年,大小规模只有微型超声波马达一半的“超微型超声波马达(ultra-compact Micro USM II)”又更新了佳能公司的USM科技树。如今,佳能公司距离其“为每一支镜头安装超声波马达”的目标仅有咫尺之遥。

超声波马达的始祖——环形USM

  传统的镜头内置马达外形设计各不相同,不过控制方法上将电磁力场转变成扭力的原理都是大同小异的。然而超声波马达的工作方式基于全新的理论基础,将发射出的超声波振动能量转变成扭力。从USM尚在研制初始至今,佳能按照超声波转换能量的不同方式把超声波定义成了三类——驻波型、行波型和振簧型。佳能EF镜头使用的超声波马达全部都是行波型。马达的基本结构非常简单,仅有一片弹性定子和一个旋转的转子。定子底部部分由一个弹性金属环和压电陶瓷元件接合,顶部则是一系列等距间隔的梯形突起。定子本身用特殊金属材质做成,这种金属具有与压电陶瓷元件相近的热膨胀性质,因此在温度变化时能够最大程度减小马达环结构的形变,使运行更加稳定。而马达转子则是一个带弹簧的法兰型铝环,弹簧紧贴着定子并保持压缩状态。因为铝材质相对来说比较软,由此转子和定子的接触面经过了特殊的表面防磨损加工。

高速AF的秘密——USM
▲环形USM结构示意

环形USM的特点

  比起使用电磁场力作为扭力来源的传统马达,USM超声波马达在低速情况下可以产生更强的扭力。而且长力臂的设计也让驱动变焦环的力量不必很大,事实上,变焦环甚至可以被直接驱动而无需任何减力辅助装置。

  由于环形USM的操控力相对较大,换句话说也就是当马达停止后,镜头构造会在盘式制动效应下很快地自动锁定位置,因此其操控准确快捷,工作起始结束果断决绝。同时,这也让它的对焦过程安静、运作性能高效而低耗,并且仅依靠相机本身的电源就足以支持其工作。

环形USM旋转的原理

  当超声波振动传递作用在弹性体,也就是定子时,定子本身开始振动并逐渐趋近超声波的振动频率。定子压迫在转子上,转子靠振动传导的能量保持转动。从另一个角度说,就是定子利用发射弯曲行波带来的摩擦力做为动力并将其转变成扭力。

高速AF的秘密——USM
▲环形USM旋转的原理

  如果我们将图中的波看成正在从左往右移动,每个投射点P顶端的小点就像是正在向波的反方向运动。转子正是与波上的“每一个点”摩擦进而得到了旋转的动力。

  弯曲行波由压电陶瓷元件产生,元件紧贴在定子底部并由一块电路板控制。压电陶瓷元件的两端不停地转换电极,并产生出接近定子振动频率的大致为30000赫兹的交流电压。30000赫兹的频率正好在超声波频率范围内,这也就是USM超声波马达名称的来源。外加电压在定子内制造出一种振幅仅有0.001毫米的波动,这个波与压电陶瓷元件产生的异相位波结合,新生成的波与旧波有四分之一周期的相差,而这个新波也就是转子最终旋转的能量。

高速AF的秘密——USM
▲压电陶瓷元件工作示意

高速AF的秘密——USM
▲压电陶瓷元件剖面

让镜头更小巧——微型USM

  环形USM是从搭配圆筒镜头的思路发展而来,相反的,微型USM是一种新的对焦马达系统,研发之初的目的就是为了制造“多功能小型化的对焦控制马达”。

  由于不被镜头直径大小所限制,微型USM几乎可以安装在任何镜头上而无需担心不同镜头的光学系统结构差异。另外微型USM的转子、定子、功率输出工具都紧凑地集成在一个很小的单元中,规模和重量大致只有环形USM的一半。而且在价格方面,微型超声波马达也比环形USM低廉,这使得更多大众型摄影镜头也可以使用上先进的科技。

微型超声波马达基本结构

  微型USM结构紧密,压电元件、定子、转子和传输结构都被垂直固定在转动轴上。微型马达的定子由5层压电元件构成,每层元件都被夹在上下两片金属振荡器之间,整个结构看着就像是一根有弹性的短圆棍。至于转子,其被放置在一个有弹簧的盒子里,弹簧与定子接触并保持压缩状态,转子通过输出设备与机械传动单元驱动而同速旋转。前端有法兰钳口固定住微型马达里面的各部分使其不至于脱落,所有这些元件紧密地搭建成为一个完整而小巧的超声波马达。

高速AF的秘密——USM
▲微型超声波马达振动原理

高速AF的秘密——USM
▲微型超声波马达中的陶瓷压电元件

微型超声波马达工作原理

  超声波振动是马达旋转的根本动力。电路驱动压电元件中具备不同方向电极的四层来发出超声波。每层压电单元层都分为A相和B相,等均分成四个90度角。在四个压电层最下端是第五压电单元,用于共振波的检测。

  这五个压电单元被集成在定子的底端,当交变电压只出现在压电元件组的A相,则压电元件的自身膨胀和收缩会引起定子末梢轻微地左右摆动。而当交变电压只出现在B相时,膨胀和收缩会导致定子轻微地前后摆动。最终结果是每当电压方向改变90度(供电的一部分过程),压电层两侧的振动就会结合并产生一个很小的旋转的振动波(每个周期产生一个振动波,振幅0.002mm),这个波使定子尾端在小范围内做圆形运动。由于定子转子之间有弹簧连接,定子转动的能量通过弹力传递给转子,因此转子运动会带动传输结构运作。环形USM的工作原理简单说就是定子产生弯曲行波,进而导致摩擦振动,其中转子的转动方向与波的传播相反,这点也大体适用于微型USM。

超微型超声波马达

  由于相机和镜头都在面向小型化方向发展,因此为了迎合在更加狭小的空间内配置自动对焦驱动装置,第二代微型超声波马达的结构也更加小巧。在上一代微型USM中,定子和转子被设计安装在一条线上,如果一味缩短设计长度而不改变元件排列位置,那么定子的共振频率就会过高,这反而会降低振动波幅。因此佳能开发出新一代微型超声波马达,它改变了定子的设计构造来缩短USM系统的整体长度,同时定子的振动频率也不会升高。二代USM的性能与一代基本相同,不过长度和大小规模仅有一代USM的一半。新的微型超声波马达在EF 28-105mm f/4-5.6 USM镜头上首次出现,而如今已经有更多镜头,特别是高密集型变焦镜头都已经使用上了这种马达。

高速AF的秘密——USM
▲微型与超微型超声波马达结构示意

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