Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động máy quét laser

Máy quét laser (Laser Scanner) là thiết bị hiện đại không thể thiếu trong các ngành xây dựng, đo đạc bản đồ, công nghiệp và thiết kế. Để tận dụng tối đa hiệu quả của thiết bị này, bạn cần nắm rõ nguyên lý hoạt động máy quét laser. Hãy cùng Việt Thanh Group tìm hiểu về nguyên lý hoạt động máy quét laser.

Nguyên lý hoạt động máy quét laser

Máy quét laser là thiết bị sử dụng tia laser để thu thập dữ liệu 3D chính xác của bề mặt vật thể hoặc không gian. Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý phát tia laser tới bề mặt cần đo và thu lại tín hiệu phản xạ để tính toán khoảng cách và tạo ra mô hình số 3D.

Máy quét laser là một thiết bị đo đạc tiên tiến, hoạt động dựa trên các nguyên lý đo lường chính xác bằng tia laser. Nhờ khả năng quét nhanh, thu thập dữ liệu số lượng lớn và tái tạo môi trường thực tế dưới dạng mô hình 3D, thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng, kiến trúc, công nghiệp và khảo sát địa hình.

Vậy máy quét laser hoạt động như thế nào? Hãy cùng tìm hiểu ba nguyên lý đo lường phổ biến nhất giúp thiết bị này thực hiện công việc của mình một cách hiệu quả.

Nguyên lý đo khoảng cách bằng thời gian bay (Time of Flight – TOF)

Đây là một trong những nguyên lý cơ bản và phổ biến nhất trong các thiết bị máy quét laser.

Cách hoạt động: Thiết bị phát ra một tia laser hướng về bề mặt hoặc vật thể cần đo. Khi tia laser va chạm vào bề mặt, nó sẽ phản xạ lại và quay trở về đầu thu của thiết bị.
Tính toán khoảng cách: Máy tính thời gian mà tia laser mất để đi từ nguồn phát đến vật thể và quay trở lại. Dựa trên tốc độ ánh sáng (khoảng 299.792.458 m/s), thiết bị tính được chính xác khoảng cách từ máy đến điểm phản xạ.
Ứng dụng: Phù hợp cho các khu vực rộng lớn như địa hình tự nhiên, công trình xây dựng ngoài trời. Dữ liệu thu được tuy không quá chi tiết nhưng đủ để dựng hình tổng quan.

Ưu điểm: Có thể đo khoảng cách rất xa, phù hợp với không gian lớn.
Nhược điểm: Độ chính xác giảm dần khi khoảng cách tăng, không lý tưởng cho chi tiết nhỏ.

Nguyên lý đo pha (Phase-Shift)

So với TOF, phương pháp đo pha (phase-shift) mang lại độ chính xác cao hơn trong những khoảng cách ngắn.

Cách hoạt động: Máy phát ra một chùm tia laser có tính chất dạng sóng hình sin. Khi chùm tia phản xạ trở lại, thiết bị đo sự dịch pha giữa sóng phát ra và sóng nhận lại.
Tính toán khoảng cách: Mức độ chênh lệch pha sẽ được dùng để tính khoảng cách đến vật thể, với độ chính xác cao hơn nhiều so với TOF.
Ứng dụng: Thích hợp cho các môi trường trong nhà, khu vực cần quét chi tiết, như nội thất công trình, nhà máy, khu vực khảo cổ, di sản.

Ưu điểm: Độ chính xác cực cao, lý tưởng cho bản quét chi tiết.
Nhược điểm: Phạm vi đo hạn chế, không phù hợp cho khu vực quá rộng.

Cơ chế quét theo chiều ngang và dọc

Không chỉ đo khoảng cách, máy quét laser còn sử dụng hệ thống gương hoặc đầu quay để điều chỉnh hướng quét.

Quét phương ngang và phương đứng: Gương quay hoặc bộ phận quay giúp điều hướng tia laser theo hai trục: góc phương ngang (horizontal angle) và góc phương đứng (vertical angle).
Quét toàn không gian: Nhờ chuyển động quay liên tục của các gương và đầu quét, máy có thể quét toàn bộ môi trường xung quanh 360 độ. Trong quá trình này, hàng triệu điểm dữ liệu (point cloud) được thu thập chỉ trong vài phút.
Tạo bản đồ 3D: Các điểm dữ liệu sau đó được xử lý và ghép nối trong phần mềm để dựng lên bản đồ số 3 chiều chính xác, phản ánh đúng vị trí, kích thước và hình dạng vật thể.

Máy quét Scan laser Topcon GLS-2200 hoạt động dựa trên hai nguyên lý đo chính: thời gian bay (Time of Flight – TOF) và dịch pha (Phase Shift). Trong quá trình vận hành, thiết bị phát ra các tia laser và đo thời gian hoặc sự thay đổi pha của tín hiệu phản hồi sau khi tia laser chạm vào bề mặt vật thể. Nhờ công nghệ cảm biến tiên tiến tích hợp trong Topcon GLS-2200, các điểm dữ liệu được thu thập nhanh chóng, chính xác với khoảng cách lên đến hàng trăm mét.

>>>Xem thêm: Khảo sát địa hình với máy quét 3D laser – Giải pháp hiện đại, chính xác và nhanh chóng

Ứng dụng thực tế của máy quét laser trong khảo sát công trình

Xây dựng & kiến trúc: Lập bản đồ hiện trạng, khảo sát mặt bằng chính xác

Trong ngành xây dựng hiện đại, việc lập bản đồ hiện trạng công trình và khảo sát mặt bằng trước khi triển khai thi công là bước cực kỳ quan trọng. Máy quét laser hỗ trợ:

Ghi nhận toàn bộ không gian công trình, từ kết cấu, bề mặt tường đến các chi tiết nhỏ như cột, dầm, trần nhà.
Lập bản vẽ “as-built” chính xác đến từng milimet, phục vụ công tác thiết kế lại hoặc mở rộng công trình cũ.
Phân tích các sai lệch giữa thực tế thi công và bản thiết kế, hỗ trợ điều chỉnh kịp thời, giảm thiểu rủi ro và chi phí sửa sai.

Lợi ích nổi bật:

Rút ngắn thời gian khảo sát mặt bằng.
Tăng độ chính xác trong tính toán khối lượng, vật liệu và ngân sách thi công.

Bản đồ & địa hình: Tạo bản đồ địa hình 3D với độ chính xác cao

Máy quét laser là thiết bị không thể thiếu trong lĩnh vực trắc địa, đo đạc bản đồ địa hình và quản lý đất đai:

Cho phép tạo ra các mô hình địa hình 3D cực kỳ chi tiết, thể hiện rõ độ dốc, địa hình gồ ghề hoặc các yếu tố địa lý phức tạp.
Hỗ trợ phân tích khu vực có nguy cơ sạt lở, lũ lụt, biến đổi địa chất.
Kết hợp với công nghệ GPS và UAV (drone) để thu thập dữ liệu trên quy mô rộng, nhanh chóng và chính xác.

Ứng dụng thực tế:

Quy hoạch đô thị, giao thông, thủy lợi.
Đo đạc địa hình khu vực đồi núi, rừng rậm hoặc vùng khó tiếp cận bằng thiết bị truyền thống.

Công nghiệp sản xuất: Kiểm tra chi tiết máy móc và sản phẩm

Trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, độ chính xác gần như tuyệt đối là yêu cầu bắt buộc. Máy quét laser được sử dụng để:

Kiểm tra hình dạng, kích thước và dung sai của sản phẩm, đảm bảo chúng đạt tiêu chuẩn kỹ thuật.
Phân tích và đo kiểm các chi tiết máy phức tạp, linh kiện cơ khí có biên dạng không gian 3D.
Hỗ trợ quy trình reverse engineering – dựng lại bản vẽ kỹ thuật từ một chi tiết có sẵn.

Lợi ích:

Nâng cao chất lượng sản phẩm.
Tiết kiệm thời gian kiểm tra bằng tay hoặc bằng thước đo truyền thống.

Phục dựng di sản: Ghi lại cấu trúc công trình cổ, di tích lịch sử

Máy quét laser đang góp phần quan trọng vào công cuộc bảo tồn di sản văn hóa tại nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam:

Tái hiện chính xác cấu trúc và hoa văn của các công trình kiến trúc cổ, chùa chiền, nhà thờ, thành quách, lăng tẩm…
Tạo mô hình 3D để phục vụ công tác phục dựng, bảo tồn hoặc giới thiệu di sản bằng công nghệ thực tế ảo (VR/AR).
Hạn chế tối đa việc tiếp xúc trực tiếp, gây ảnh hưởng đến hiện vật gốc.

Ví dụ thực tế:

Dự án số hóa 3D di tích Văn Miếu – Quốc Tử Giám.
Phục dựng kỹ thuật số các công trình bị hư hại do thiên tai, chiến tranh.

>>>Xem thêm: Liên kết scan 3D laser và BIM – Tạo ra sự kết nối hoàn hảo trong quản lý dự án xây dựng

Ưu điểm khi sử dụng máy quét laser

Chính xác cao: Sai số cực nhỏ, phù hợp cho khảo sát kỹ thuật.
Nhanh chóng: Thu thập hàng triệu điểm dữ liệu chỉ trong vài phút.
An toàn: Không cần tiếp xúc trực tiếp vật thể, phù hợp với địa hình nguy hiểm.
Lưu trữ lâu dài: Dữ liệu số hóa có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.

Hiểu rõ nguyên lý hoạt động máy quét laser là nền tảng giúp bạn ứng dụng công nghệ này hiệu quả trong công việc. Với độ chính xác cao, tốc độ xử lý nhanh và khả năng tích hợp vào quy trình số hóa, máy quét laser là công cụ không thể thiếu trong thời đại công nghiệp 4.0.

Việt Thanh Group tự hào là đơn vị tiên phong cung cấp dịch vụ quét 3D Laser Scan chuyên nghiệp tại Việt Nam. Với hệ thống thiết bị hiện đại như máy quét laser Topcon GLS-2200 cùng đội ngũ kỹ sư giàu kinh nghiệm, chúng tôi mang đến giải pháp đo đạc nhanh chóng, chính xác tuyệt đối, phục vụ hiệu quả cho các lĩnh vực: khảo sát hiện trạng công trình, lập mô hình BIM, thiết kế cải tạo, phục dựng di tích lịch sử và nhiều ứng dụng khác.