Comment le 100 mm F2.8 MACRO est devenu l'objectif macro le plus petit et le plus léger du monde

Bonjour à tous. Nous sommes l'équipe de développement de l'objectif LUMIX S 100 mm F2.8 MACRO.

Nous avons le plaisir de dévoiler le LUMIX S 100 mm F2.8 MACRO, le tout premier objectif macro 1:1 de la gamme LUMIX S plein format.

C'est également l'objectif macro le plus petit et le plus léger au monde* de sa catégorie. Avec seulement 82,0 mm de longueur et environ 298 g sur la balance, il offre un gabarit quasiment réduit de moitié par rapport aux objectifs macro plein format traditionnels. Pour les utilisateurs des appareils LUMIX, son format sera immédiatement familier, très proche de celui des objectifs de la série F1.8.

Dans cet article, nous reviendrons sur le socle technologique qui a permis de concevoir le modèle le plus compact et le plus léger* au monde, les considérations optiques ayant guidé son développement, ainsi que les fonctionnalités clés mises en avant par l’équipe en charge du projet.

Contenu

◼ L’inspiration à l’origine du concept d’« objectif macro compact et léger »
◼ Le moteur linéaire à double phase qui a rendu possible le design le plus léger de sa catégorie
◼ Le défi que représente l’intégration de trois lentilles asphériques
◼ Retour des membres de l’équipe de développement sur les caractéristiques qu’ils apprécient le plus
◼ Un objectif macro haut de gamme qui va encore plus loin que la série F1.8

Yoshikawa (équipe de conception mécanique)

Comme l’indiquait déjà la feuille de route des objectifs LUMIX, le développement d’un objectif macro 100 mm était à l’étude. Face à ce défi, l’équipe de développement a longuement échangé en interne pour trouver la meilleure façon d’y répondre.

Au cours de cette période, la série d’objectifs à focale fixe F1.8 a été progressivement commercialisée, suscitant des retours favorables de la part des utilisateurs. Cette dynamique a donné lieu à des échanges portant sur le développement, dans la gamme des objectifs fixes, d’un modèle aux dimensions équivalentes à celles de la série F1.8.

Si la série F1.8 rencontre un tel succès, c’est notamment parce que l’ensemble des objectifs présente un diamètre et une longueur identiques. Créer un objectif aux dimensions simplement proches, sans égaler celles des modèles F1.8, risquait-il de trahir l’esprit de la série ? La question s’est posée.

La problématique s’est alors posée en ces termes : comment parvenir à développer un objectif macro aux dimensions identiques à celles de la série F1.8 ? L’approfondissement de cette approche, ainsi que les efforts de conception et de développement qui en ont découlé, ont abouti à la réalisation de cet objectif.

Lors des phases amont et intermédiaires du développement, l’hypothèse retenue était qu’un alignement du diamètre était envisageable, mais qu’une augmentation modérée de la longueur totale serait indispensable à la faisabilité du projet. Cela dit, nous pressentions qu’il ne serait qu’une question de temps avant qu’on nous demande de l’aligner sur le format de la série F1.8, ce qui, avec le recul, prête à sourire.

Pour atteindre le gabarit de la série F1.8, il fallait réduire la longueur totale de près de 40 % par rapport aux modèles concurrents, un défi de taille.

Même si une approche globale de miniaturisation avait été définie, l’ensemble de l’équipe était conscient qu’il subsistait des obstacles majeurs à surmonter avant de pouvoir commercialiser l’objectif.

L’enjeu principal était de parvenir à des dimensions identiques à celles de la gamme F1.8. Nous étions conscients que l’ajout de seulement cinq millimètres à la longueur totale aurait permis de réduire significativement la complexité du développement, mais nous avons maintenu notre objectif initial, animés par la volonté d’apporter un réel bénéfice à l’utilisateur final.

Cinq millimètres peuvent sembler négligeables, mais d’un point de vue de la conception, ils offrent une latitude non négligeable dans le développement. Si le schéma de construction peut laisser penser à la présence d’espaces libres, l’intérieur est en réalité extrêmement compact, avec de nombreux composants, dont le mécanisme du système à double mise au point, qui doit pouvoir se déplacer sur toute sa course.

Là où les précédents objectifs s’appuyaient sur des moteurs VCM, le nouveau 100 mm F2.8 MACRO franchit un cap en adoptant un moteur linéaire biphasé.

Le principe de fonctionnement du VCM comme du moteur linéaire biphasé s’appuie sur la règle de la main gauche de Fleming, selon laquelle le passage d’un courant dans un conducteur situé dans un champ magnétique engendre une force. Avec un VCM classique, seuls certains segments de la bobine pouvaient générer de la force, en raison de la disposition des aimants. En conséquence, lorsqu’il s’agissait de déplacer un élément optique de grande dimension, la poussée disponible se révélait insuffisante et imposait le recours à plusieurs VCM, entraînant une augmentation de l’encombrement et de la masse de l’objectif.

Le moteur linéaire biphasé résout cette limitation par le recours à des aimants multipolarisés, grâce auxquels la quasi-totalité de la bobine peut être mise à contribution pour la génération de la force de poussée.

Il intègre par ailleurs une architecture spécifique caractérisée par la disposition d’aimants opposés de part et d’autre des bobines biphasées. Grâce à une technologie de commande permettant de commuter entre les deux bobines en fonction de la position, tout en assurant une alimentation constante, le moteur peut fonctionner de façon continue et sans à-coups sur toute son amplitude.

VCM conventionnel : Une unique zone de génération de force, représentée en rouge, limite l’efficacité du système.

Moteur linéaire biphasé : Les aimants sont multipolarisés de façon à optimiser la génération de force.

Cette configuration permet une production de force environ trois fois supérieure à celle des objectifs classiques de dimensions équivalentes, ouvrant la voie à une conception plus compacte et allégée.

En matière de conception opto-mécanique, le VCM (Voice Coil Motor, moteur à bobine mobile) conventionnel présentait un poids d’environ 80 grammes, contre seulement 29 grammes pour le moteur linéaire biphasé, permettant ainsi une réduction de plus de 50 grammes obtenue par la seule intégration de cette nouvelle motorisation.

La miniaturisation du moteur a permis de simplifier en profondeur la conception du barillet optique, contribuant ainsi à une réduction significative du diamètre et du poids de l’objectif.

Si le poids total reste sous la barre des 300 g, avec seulement 298 g, c’est sans doute en partie grâce à l’utilisation du moteur linéaire biphasé. Cet aspect s’adresse toutefois avant tout aux utilisateurs les plus exigeants en matière de légèreté (rires).

Contexte du développement du moteur linéaire biphasé

Fujinaka (équipe de développement du moteur linéaire biphasé)

En réalité, il y a une vingtaine d’années, j’étais déjà impliqué dans la création de nouveaux modèles de motorisation au sein de la division de développement des moteurs de Panasonic.

Fort de mon expérience dans ce domaine, j’avais compris depuis un certain temps qu’il était possible de réduire la taille des VCM classiques en adoptant une configuration multipolaire.

J’en étais conscient, mais de nombreux obstacles ont dû être surmontés avant que cette technologie puisse être concrètement intégrée à un produit.

Au lancement du développement de la série S, qui a marqué l’arrivée de LUMIX dans le segment des appareils plein format, l’un des objectifs majeurs était de concevoir un système permettant d’entraîner les composants de mise au point, y compris l’objectif, avec une force plusieurs fois supérieure à celle des mécanismes classiques. C’est à ce stade du développement que j’ai initialement présenté la technologie qui allait servir de fondement au moteur linéaire biphasé.

Nous avons ensuite perfectionné les technologies de base du moteur linéaire biphasé, notamment en affinant la forme des bobines et en positionnant des aimants de part et d’autre de celles-ci afin de minimiser les variations de force. Les technologies en question ont fait l’objet de dépôts de brevets au Japon et aux États-Unis en 2023.

L’expertise que j’avais déjà acquise dans le développement de moteurs a largement contribué à la réussite de ce projet.

Pourtant, avant de pouvoir intégrer cette technologie aux produits, il a fallu surmonter de nombreux défis techniques. Concrètement, il ne s’agissait pas uniquement de concevoir le moteur lui-même, mais aussi de développer une technologie de commande capable de l’actionner rapidement, avec une précision élevée et un niveau sonore réduit.

À cette période, Panasonic procédait au lancement de plusieurs nouveaux appareils photo et objectifs LUMIX, ce qui rendait la conduite du développement de nouveaux systèmes de commande particulièrement complexe.

Il convient de reconnaître que, bien que le prototype du moteur linéaire biphasé ait été finalisé, plusieurs années se sont écoulées sans que nous soyons en mesure de développer les technologies de commande nécessaires à son exploitation dans des produits commerciaux. Le prototype développé à l’époque est demeuré inutilisé pendant plus de deux ans, un clin d’œil amusant quand on y repense aujourd’hui.

Au moment où la décision a été prise de lancer la commercialisation du 100 mm F2.8 MACRO, j’étais persuadé que seule l’intégration d’un moteur linéaire biphasé permettrait de répondre aux exigences de compacité et de légèreté. J’ai convaincu mes supérieurs de me laisser participer au développement du système de commande afin que nous puissions mener ce projet d’objectif jusqu’à sa commercialisation.

Coupe transversale d'un moteur linéaire biphasé

Cela nous a permis de valider que le prototype, demeuré inutilisé pendant près de deux ans, pouvait à présent être exploité sans difficulté et atteignait des performances pratiquement identiques à celles définies lors de la phase de conception.

Même si le développement technologique avait enfin atteint un stade de maturité suffisant pour une intégration produit, une nouvelle difficulté s’est aussitôt présentée. Pour le dire clairement, l’enjeu était avant tout lié aux coûts.

Bien que les VCM conventionnels présentent un encombrement et une masse supérieurs à ceux des moteurs linéaires biphasés, leurs performances sont éprouvées et ils sont largement déployés dans les produits actuels. Restait à savoir s’il fallait franchir le pas et investir dans leur intégration aux nouveaux produits, malgré un coût supplémentaire non négligeable.

Les préoccupations budgétaires provenaient de différents facteurs : l’augmentation du nombre d’aimants requis pour le moteur, l’élargissement de la capacité mémoire du microcontrôleur induisant une hausse du coût des matériaux, et les frais de développement associés à l’intégration de la nouvelle technologie de commande dans ce dernier.

L’ensemble de ces éléments soulevait des inquiétudes quant à une possible augmentation des coûts et, pour être honnête, suscitait également des oppositions.

En mettant en avant, à plusieurs reprises, les bénéfices concrets que cette technologie apporterait au produit, et en menant des négociations ciblées, notamment sur les coûts avec nos fournisseurs, nous sommes parvenus à obtenir l’adhésion des membres concernés. Au final, nous avons réussi à concrétiser la production en série de l’objectif, une étape clé vers sa commercialisation. Franchement, ça n’a pas été une partie de plaisir (sourire).

Au final, nous avons réussi à doter le 100 mm F2.8 MACRO d’un moteur linéaire biphasé, permettant ainsi une réduction de sa taille et de son poids. Cette évolution a, selon moi, largement contribué à renforcer la valeur de cet objectif macro compact et léger, qui en est l’élément distinctif majeur.

Suzuki (équipe de conception optique)

Utiliser trois lentilles asphériques dans la catégorie des téléobjectifs macro de focale moyenne était sans doute un pari assez ambitieux.

Habituellement, les objectifs de cette catégorie sont dépourvus de lentilles asphériques ou n’en intègrent qu’une seule. Cependant, le cahier des charges imposant d’emblée le respect du gabarit de la série F1.8, nous étions parvenus à la conclusion qu’il serait techniquement irréalisable de développer le 100 mm F2.8 MACRO sans intégrer de lentilles asphériques.

Afin de concevoir un objectif macro compact tout en ne faisant aucun compromis sur la qualité d’image, l’intégration de trois lentilles asphériques s’est révélée indispensable.

La disposition des éléments optiques au sein du barillet a pour objectif principal la correction des aberrations. Bien que l’on puisse observer, dans certaines coupes optiques, l’association de lentilles convexes et concaves, la compacité extrême de cet objectif ne permettait pas une telle configuration. Pour conserver un haut niveau de performance malgré un espace interne restreint, nous avons conçu une architecture efficace en intégrant des lentilles asphériques.

Par ailleurs, l’annonce de l’intégration de trois lentilles asphériques peut, auprès d’un public averti, susciter des craintes quant à l’apparition d’un bokeh présentant des motifs concentriques, communément appelé « bokeh en oignon ».

Cependant, le 100 mm F2.8 MACRO a été conçu de manière à réduire au minimum ce phénomène, en tirant parti des technologies que LUMIX a perfectionnées au cours de nombreuses années de développement. Nous pouvons ainsi profiter pleinement des atouts des lentilles asphériques et proposer un objectif à la fois très compact et capable de délivrer une qualité d’image élevée.

Cela fait des années que nous perfectionnons en interne la conception d’objectifs à focale fixe compacts, tout en repoussant les limites de notre technologie de lentilles asphériques. Après une analyse approfondie du risque d’apparition de bokeh annulaire lors de l’intégration de lentilles asphériques dans des optiques macro, nous avons estimé que nos technologies actuelles étaient suffisamment avancées pour surmonter cette problématique. C’est ce qui nous a confortés dans notre volonté d’adopter un format compact pour ce modèle.

Sa taille particulièrement compacte s’impose d’elle-même, mais ce n’est pas son seul atout : plusieurs autres points méritent également d’être mis en avant. En voici un bref aperçu :

[1] Réduction du focus breathing
En mise au point rapprochée (macro), les objectifs macro conventionnels ont tendance à modifier légèrement leur angle de champ, un effet optique appelé focus breathing (variation du cadrage liée à la mise au point). Toutefois, le 100 mm F2.8 MACRO a été spécifiquement conçu de manière à minimiser ce phénomène. Cela évite également d’avoir à repositionner le trépied après la mise au point pour corriger le cadrage.

[2] Bokeh harmonieux
Comme mentionné précédemment, l’utilisation de trois lentilles asphériques peut accroître le risque d’apparition d’aberrations et de distorsions dans les images. Nous avons surmonté ces contraintes techniques pour offrir un bokeh d’une douceur exceptionnelle, fidèle à l’esthétique recherchée.

[3] Une bague de mise au point revisitée pour la macro
Tout en conservant le design extérieur propre à la gamme F1.8, cet objectif bénéficie d’une bague de mise au point spécifiquement ajustée pour répondre aux exigences de la macrophotographie. En photographie macro, et plus encore en mode MF linéaire, la mise au point manuelle exige des réglages d’une extrême précision. Sur les modèles F1.8 classiques, la moindre rotation de la bague pouvait faire varier la mise au point de façon perceptible, un vrai défi en macro. La bague de mise au point a ainsi été entièrement repensée afin d’offrir un contrôle nettement plus précis des ajustements de mise au point.

[4] Sérigraphie légèrement grisée
La couleur des informations imprimées sur la surface de l’objectif a été modifiée, passant du blanc à un ton de gris plus discret. Cette nouvelle approche du lettrage est apparue pour la première fois sur le LUMIX S 14-28 mm F4-5.6 MACRO. La photographie macro à un rapport 1:1, tout comme la macro au grand angle, nécessite des prises de vue à très courte distance du sujet. L’ajustement apporté vise ainsi à réduire les risques de reflets des marquages imprimés sur le sujet.

[5] Format compact avec sélecteur de plage de mise au point
Intégrer un sélecteur une fois les dimensions globales arrêtées a représenté un véritable défi, en particulier du fait de la complexité liée à l’ajout d’un sélecteur à trois positions. Bien qu’un sélecteur à deux positions (plages macro et complète) aurait été plus simple à intégrer, nous avons fait le choix d’un sélecteur à trois positions pour répondre à une plus grande variété de situations, notamment la prise de vue de portraits. Cette configuration permet de sélectionner une plage de mise au point allant de l’infini jusqu’à 0,5 mètre. Concevoir un commutateur parfaitement intégré, avec un marquage discret dans ce design compact, a demandé une grande maîtrise technique.

Même si l’idée était de créer un objectif macro au même format que la gamme F1.8, l’équipe de développement souligne que l’architecture interne de ce modèle marque une rupture totale, fruit d’un tout nouveau développement.

Les objectifs précédents de la gamme F1.8 n’étaient pas particulièrement conçus pour la prise de vue rapprochée, et de nombreux utilisateurs avaient exprimé le besoin d’un objectif permettant une mise au point plus proche.

Nous nous considérons comme particulièrement privilégiés d’avoir pu concevoir cet objectif macro 1:1 tout en préservant l’ergonomie et la simplicité d’utilisation qui font la force de la gamme F1.8.

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*Parmi les objectifs interchangeables à mise au point automatique compatibles avec les appareils hybrides plein format, ayant une focale de 90 mm ou plus et offrant un rapport de reproduction 1:1. À compter du 9 janvier 2024. Source : Panasonic.