高速对焦必备 佳能EF镜头USM技术史话

　　USM为Ultrasonic Motor英文简写，译为超声波马达，是佳能EF镜头专用的内置自动对焦马达。其设计目的是，使镜头本身具有驱动自动对焦的原动力，从而使镜头对焦更迅速、安静。 

　　说起USM技术，还要从佳能EF镜头说起。在上世纪八十年代末，各相机厂家都在进行相机自动化研究，其中佳能公司在1987年放弃了使用30年的FD卡口，建立了一套全电子化卡口系统——EF，配合EOS机身，之后推出的EF镜头也得益于全电子化的改进，推出了一系列镜头电子化技术，如电磁光圈、光学影像稳定器IS、全时手动对焦、还有今天要重点介绍的USM——超声波马达。

1987年首次采用USM技术的EF 300mm f/2.8L USM镜头

　　同是1987年，随着佳能使用了新的EF卡口，佳能也首次将环型USM应用于EF-300mm f/2.8L USM镜头上(上图)，这也是世界首创的镜头内置超声波马达，其安静快速的自动对焦性能，在体育摄影界成为一段佳话。

    在USM之前，佳能镜头一直使用AFD弧型马达，这种技术也是当时的主导技术，但其驱动镜头时的声响是其最大的不足。而由于USM直接驱动式的结构非常简单，令镜头自动对焦系统更加耐用的同时，其快速对焦也更加的安静，这些突出特点也使USM技术逐渐成为EF镜头内置驱动马达的主流。

具有USM标识的佳能EF镜头

　　在推出第一支USM镜头后的1990年，佳能建立起可以大量安装环形USM的批量生产线，紧接着，在1992年，佳能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，佳能又开发了尺寸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)”，截止2008年7月，佳能EF镜头已有近70%的产品使用了USM技术，将来随着镜头产品的进一步更新，会有更多的EF镜头具有USM功能。

佳能USM种类

　　按照大的分类，佳能USM马达可分为环型USM与微型USM，而微型USM又分为一代、二代，二代即前面介绍的于2002年发布的“超微型USM”——Micro USM II。环型USM多使用于大光圈及超远摄镜头上，微型USM多使用于小型镜头上，两者最主要的区别在于环型超声波马达可以实现全时手动对焦，但微型不行。

EF镜头所采用的3种超声波马达·USM

环型USM转子与弹性金属结构

环型USM结构图

EF镜头内的环型USM剖面图

　　以往的镜头内置马达均属于电磁马达，其原理主要是将电磁场力转变成扭力。而超声波马达是将超声波振动转换成驱动镜头的扭力，是一种全新的驱动方式。上面的环型USM结构图看，其马达结构非常简单，而且其圆环的形状也正好适用于镜头。　　

　　佳能在研制USM过程中，按超声波转换能量的不同方式把超声波定义——驻波型、行波型和振簧型三种类型。佳能EF镜头使用的超声波马达全部都是行波型。佳能这种环形超声波马达的结构非常简单，主要是以一片底部环形定子（Stator）及一片环形转子（Rotor）组成，将超声波频率的震动转变成转动能量。将交流电加到定子底部的压电陶瓷部份，便会令定子产生 0.001mm 幅度、约30kHz高频而微细的震动，从而令定子顶部与转子接触的部份产生一种弯曲移动波（flexural traveling wave）。弯曲移动波产生的磨擦力，足以使转子产生转动。定子底部有一个弹性金属环和压电陶瓷元件接合，顶部则是圈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。由于铝材质相对较软，所以其转子和定子的接触面经过了特殊的表面防磨损加工。

微型USM(Micro USM)

微型USM与超微型USM结构图

　　从结构上看，环形USM更适合常规的圆筒镜头，而为了让更小的镜头也具有USM功能，佳能又开发了“微型USM”，目前已经有一、二两代。马达”。

　　因为微型USM体积小巧,安装在任何镜头上时都不需要担心镜头光学系统结构的差异。另外微型USM的转子、定子、功率输出部件都紧凑地集成在一个很小的单元中，体积只有环形USM的一半，而超微型USM比微型USM更是小巧了近一半。价格方面，微型USM也比环形USM更便宜，这就使得更多的镜头能够拥有USM超声波马达所带来的快速自动对焦性能。

多种EF镜头采用了USM技术

　　推出USM技术的本意，是让EF镜头的对焦系统能够与EOS机身、EF电子化卡口更好的配合工作，使得镜头能以更快速更安静的方式进行自动对焦工作。截止到2008年7月，占比例70%、近48支EF镜头都已经拥有了USM功能。

采用不同USM功能EF镜头对焦速度

　　上面是佳能官方给出的部分采用不同USM的EF镜头自动对焦时间，我们发现，它们之间时间差异并不大。这也说明，每支EF镜头内的USM非常适合镜头本身的特性。由于环型USM具有力距大的特点，比较适合驱动EF 50mm f/1.2L USM等镜头。而微型USM动作更迅速，可更高效的驱动EF 70-300 f/4-5.6 IS USM等小型远摄镜头。

USM特点：

　　1、具有低转速大扭矩的输出特性；

　　2、制动力矩大；

　　3、结构简单

　　4、马达启动和制动的可控性非常好；

　　5、转动声音非常小，几乎无声。

Canon环形USM除具备上述基本特点外，自身的特点：　　

　　6、高效低功耗；　　

    7、马达圆环形状可以与镜身完美地结合；　

　　8、低转速驱动方式，特别适合镜头的AF驱动；　　

    9、转动速度可以在0.2rpm~80rpm范围内任意控制；　　

    10、可以实现灵敏度可调的电子MF，即全时手动对焦功能　　

    11、工作环境温度是：-30℃~+60℃。