As ondas eletromagnéticas, desde os raios , passando pelos raios-X, luz visível, infra-vermelho, micro-ondas e ondas de rádio, viajam à velocidade da luz m/s, e são caracterizadas por um comprimento de onda , que mede a distância entre dois picos (máximos de campo elétrico ou magnético) sucessivos, e uma frequência, , que é o número de picos que passam por um ponto em uma unidade de tempo. A relação entre estas propriedades pode ser expressa como:
A grandeza mais característica de um campo de radiação é uma constante chamada intensidade específica monocromática , que é a energia por unidade de área e por unidade de tempo que está sendo emitida pela fonte, em um intervalo de frequências . Na posição do observador, essa energia é captada ao longo de uma direção , que é o ângulo entre a linha de visada e a direção normal à superfície emissora, e dentro de um ângulo sólido , que será tanto menor quanto mais distante estiver o objeto. Formalmente, a intensidade específica é definida como a energia que atravessa um elemento de área , por intervalo de tempo, dentro de um elemento de ângulo sólido , na direção , dentro de um intervalo de frequências e , ou seja:
A intensidade específica, por sua definição, não depende da distância da fonte emissora. Geralmente é medida em . Um , chamado de esferorradiano, é uma unidade de ângulo sólido.
Podemos também definir a intensidade específica monocromática por intervalo de comprimento de onda, lembrando que, por definição:
A intensidade específica integrada em todo o espectro de frequências é dada por:
Outra quantidade de grande interesse é o fluxo F, que é a energia por unidade de área e por unidade de tempo que chega ao detector, e é o que se mede realmente. Formalmente, o fluxo em uma certa frequência, em um dado ponto e em um dada direção e sentido, é a quantidade líquida de energia radiante cruzando a unidade de área, por unidade de tempo, e por intervalo de frequência, ou seja,
O fluxo portanto significa potência através de uma superfície, e é expresso em , ou em .
O fluxo integrado no espectro de frequências será:
Ao contrário da intensidade específica, o fluxo de radiação cai com o quadrado da distância (), de forma que o fluxo que chega no detector é muito menor do que o fluxo na superfície da fonte, estando diluído por um fator de .
Para uma fonte esférica de raio R não colimada, o fluxo na sua superfície será
O fluxo a uma distância da fonte será
Nesse caso, é o fluxo integrado sobre toda a superfície da fonte, e a luminosidade pode ser obtida diretamente multiplicando o fluxo dela proveniente pela área sobre a qual o fluxo se distribui, integrado sobre todas as frequências.
Em 1856, Norman Robert Pogson (1829-1891) verificou que a percepção de brilho do olho humano é logarítmico. O olho humano é capaz de detectar variações de intensidade sobre aproximadamente 10 ordens de magnitude, isto é, de valores que vão de 1 a .
As intensidades realmente medidas dependem da sensibilidade espectral do equipamento (fonte + detector). Se chamamos de a eficiência espectral do equipamento, normalizada, temos:
O corpo humano através do qual a radiação atravessa, afeta as medidas. Seu efeito é absorver e espalhar a radiação em outras direções, processos esses que são descritos por um coeficiente de absorção , usualmente medido em . A perda relativa de fluxo sofrida pela luz ao atravessar uma distância ao longo da camada será:
Chamando o fluxo da fonte, o fluxo que chega o detector, obtido por integração da equação acima, como veremos abaixo é:
Chamando = profundidade ótica,