立体角、空间角及发光角计算公式
空间角总结
空间角总结什么是空间角？空间角是几何学中的一个重要概念，用来描述两个向量之间的夹角。
空间角通常用希腊字母θ（theta）表示，其单位是弧度（rad）。
空间角的概念可以扩展到三维空间中，帮助我们描述物体之间的方向关系和位置关系。
空间角的特征空间角具有以下几个重要特征：1.空间角是无向角：空间角没有方向之分，只关注两个向量之间夹角的大小，与向量的起点和终点无关。
2.空间角的大小范围：空间角的取值范围是0到π（也就是0到180度）。
3.水平角和垂直角：当两个向量在同一平面内，夹角为水平角；当两个向量互相垂直，夹角为垂直角。
4.空间角的计算方法：可以使用余弦定理或向量的点积来计算空间角的大小。
空间角的计算方法余弦定理余弦定理是计算空间角的常用方法之一。
设有两个向量A和B，它们之间的夹角θ满足以下关系：cos(θ) = (A·B) / (|A| * |B|)其中，A·B表示向量A和向量B的点积，|A|和|B|表示向量A和向量B的模。
通过余弦定理，我们可以根据向量的数值计算出它们之间的夹角。
向量的点积另一种计算空间角的方法是使用向量的点积。
向量A·B的点积可以通过以下公式计算得到：A·B = |A| * |B| * cos(θ)其中，θ表示向量A和向量B的夹角。
通过这个公式，我们可以根据两个向量的点积来计算它们之间的夹角。
球面角与立体角除了空间角之外，还有两个相关概念：球面角和立体角。
球面角球面角是指由球心发出的射线与球面上两个端点所夹的角。
球面角的单位是球面度（sr），1球面度是球面上的一个单位面积所占的立体角。
球面角可以通过球面面积和球半径来计算。
立体角立体角用来描述三维空间中的角度，是由空间中一点发出的射线与空间中的两个向量所夹的角。
立体角的单位是立体度（steradian，sr），1立体度表示空间中的一个单位面积所占的立体角。
立体角可以通过空间角和距离来计算。
多维空间的立体角
多维空间的立体角立体角的概念在几何学、电动力学、光学、天文学等领域应用十分广泛。
本文从二维空间的平面角开始对n 维空间的立体角进行探讨。
1. 平面角我们先来分析平面角的单位元，如图所示，单位元dφ可以表示为：dφ=CD ̂r其中，CD̂的长度近似为CD ̂，设C →D 的任意曲线微元（即为直线微元）为dl ，dl 与半径r 的夹角为θ，则：CD̂=dl ∙sin θ 对上述微元进行积分，则从A 到B 的曲线对应的角为：φ=∫dlrBAsin θ 设dl 的法线方向的单位向量为e 0，设e 0与r 的夹角为ψ则：ψ=π2−θφ=∫dl r B A cos ψ=∫e 0dl ∙rr B A2. 立体角对于三维空间的立体角，通常将某一曲面投影至球面，计算其与半径平方的商的曲面积分。
设曲面的面积微元为dS（其大小代表曲面大小，方向为外法线方向）；设r为观测点指向面积微元的向量，则dS在以r为半径的球上的投影面积为：dS⊥=dS∙r r立体角微元dΩ为：dΩ=dS∙r r3曲面对空间的立体角为：Ω=∫dS∙r r3S不难得到，全空间的立体角Ω=4π下面再给出几个特殊空间图形所张的立体角计算公式及值：顶角为2θ的圆锥：Ω=2π(1−cosθ)半球：2π球面三角形：A+B+C−π四面体：对于任意四面体OABC，设α=∠BOC，β=∠AOC，γ=∠AOB，θ=12(α+β+γ)，则：tan Ω4=√tanθ2tanθ−α2tanθ−β2tanθ−γ2正方体的一个顶角的立体角为π2，正四面体的一个顶角为arctan 10√223（或者arccos 2327）3. n 维空间的立体角设n 维立体角Ω的顶点位于n 维球的球心，设n 维球的表面积为S ，半径为R ，则：Ω(n )=S(n)R n−1则问题的关键在于求出n 维球体的表面积： 由Gauss 公式：∫∇∙r dV V=∮r ∙dS ðV由于r 代表n 维球径向矢量，设：r =x 1i 1+x 2i 2+x 3i 3+⋯+x n i n则：∇∙r =nr ∙dS =x 12+x 22+⋯x n2R=R故：nV (n )=RS(n) S (n )=nRV(n) 通过换元易得：V (n )=R n β(n)其中，β(n)为单位球体的体积：β(n )=∫dx 1dx 2⋯dx n V n 0V n 0:x 12+x 22+⋯+x n 2≤1β(n )=∫dx n 1−1∫dx 1dx 2⋯dx n−1V n−1V n−1: x 12+x 22+⋯+x n−12≤1−x n 2故：V n−1=βn−1∙(1−x n 2)n−12βn =βn−1∫(1−x 2)n−12dx1−1=2βn−1∫(1−x 2)n−12dx 1换元，令x =cos tβn =2βn−1∫sin n t dt π2=√πβn−1Γ(n +12)Γ(n 2+1)由于β1=2，可得：βn =πn2Γ(n 2+1)最终可得：V (n )=R nπn 2Γ(n2+1) S (n )=nR n−1πn 2Γ(n2+1) Ω(n )=n nπn 2Γ(n2+1)列表如下：图像如下：附源代码：n=1:10;V=n.*pi.^(n/2)./gamma(1+n/2); plot(n,V,'black+');xlabel('n')ylabel('\Omega(n)')title('空间维数与立体角')。
立体角的单位
立体角的单位一、引言立体角是空间中一个重要的数学概念，用于描述在三维空间中的角度大小。
本文将介绍立体角的基本概念、表示方法和计算方式，并探讨其单位。
二、立体角的基本概念1.立体角是指以某一点为顶点，其余两条射线为边界所夹的空间区域。
2.立体角的大小与边界上的两条射线的夹角和两条射线的长度有关。
3.立体角的大小可以表示为实数，也可以表示为平面角的度量单位。
三、立体角的表示方法1.立体角常用字母表示，如常用的有α，β，γ等。
2.立体角也可以用弧度制表示，以弧度为单位的立体角常用符号为sr。
3.若以平面角的度量单位表示，立体角的单位为平方角度（square degrees）。
四、立体角的计算方式1.若已知两条边界射线的长度和夹角，可以通过计算公式求解立体角的大小。
2.计算公式为：立体角 = 射线1长度 * 射线2长度 * sin(夹角) / (射线1长度 * 射线2长度)。
3.在实际计算中，可以利用三角函数的性质简化计算过程，例如利用正弦定理等。
五、立体角的单位1.立体角的国际单位制（SI）单位为立体弧度（steradian，简写为sr）。
2. 1 steradian等于一个球体表面上的一个面积等于球心角为1弧度的球形面片的面积。
3. 1 steradian等于4π平方弧度，约等于57.3平方度，即1 steradian大约等于3282.8平方角度。
六、立体角的应用1.立体角在物理学、光学、工程学等领域有广泛的应用。
2.在物理学中，立体角常用于描述辐射物体发出的光线包围的空间。
3.在光学中，立体角可用于描述从一个点光源发出的光线在空间中的分布情况。
4.在工程学中，立体角可用于描述声音的衰减、辐射场等。
七、总结立体角作为描述空间角度大小的概念，在数学和应用学科中都有重要的意义。
本文介绍了立体角的基本概念、表示方法和计算方式，并详细探讨了其单位。
立体角的单位为立体弧度（steradian），是国际单位制中常用的角度单位之一。
光强中什么是立体角及它的计算公式
摘要：本文应用数学工具，推导出灯具在两个相互垂直方向上的发光角同立体角之间的关系。 关键词：立体角，发光角。 0 引言 光强度是照明工程中的一个重要术语，其定义是“光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量”， 一般以 I 表示。若在某微小立体角 dΩ内的光通量为 dΦ（ψ，θ），则该方向上的光强为： I（ψ，θ）=dΦ（ψ，θ）/dΩ。 式中，dΩ的单位为 sr（球面度），光强的单位为 cd（坎德拉，烛光）。 1 cd=1 lm/sr。 但关于立体角的计算方法，照明教材及各类文献中却没有述及。这给从事照明工程的专业技术人员 带来很大的困惑。
1
∂x ∂y
1− x2 − y2
（3） （4） （5）
代入（1）式得：
∫∫ A=
dxdy
D 1− x2 − y2
(6)
利用极坐标，得：
rdrdθ
∫∫ A=
D 1− r2
(7)
易知，积分区域在 xy 平面上的投影是由两条椭圆曲线围成，方程分别为：
x 2 +y2=1
(8)
sin 2 α
x2 + y2 =1
参考文献 ⑴周太明等，电气照明设计，复旦大学出版社，2001，11 ⑵同济大学数学教研室，高等数学，高等教育出版社，1998，12 ⑶陈大华等译，光源与照明（第四版），复旦大学出版社，2000，1
注：本文发表于《中国照明学会（2005）学术年会论文集》，2005.9·上海
150° 0.506 1.011 1.515 2.016 2.514 3.008 3.492 3.964 4.411 4.811
165° 0.519 1.038 1.557 2.075 2.592 3.108 3.621 4.130 4.632 5.115 5.544
空间几何的立体角
空间几何的立体角立体角是空间几何中重要的概念，用于描述三维物体之间的角度关系。
参考欧几里得几何学中平面角的定义，立体角也是通过两个平面之间的交叉线来确定的。
本文将介绍立体角的概念、计算方法以及其在实际生活和科学研究中的应用。
一、概念在空间几何中，我们可以定义立体角为两个不共面的射线所夹的角度。
具体地说，我们可以通过从一个射线上选取一点，然后与该射线相交的另一射线还可以由无数种不同位置的点来确定。
这样，我们就可以得到不同的立体角。
根据这个定义，可以得出以下结论：1. 两个相对的直角是等于360度的立体角；2. 两个形成平面角的直线和两个形成立体角的直线具有相同的夹角。
二、计算方法为了计算立体角，我们可以使用多种方法，以下是其中两种常用的方法：1. 体积法：通过计算立体角所包围的体积来确定其大小。
具体地说，我们可以在两个不共面的射线之间构造一个四面体，然后计算该四面体的体积。
该体积就是所求立体角的大小。
这种方法需要对几何体的体积计算有一定的理解和掌握。
2. 广义平面角法：理解和应用平面角的概念和计算方法，可以将其推广到立体角的计算中。
通过选取两个不共面的射线上的点，可以构成一个平面角。
将这个平面角的两条边替换为另外两个射线，就可以得到一个立体角。
通过计算这个立体角对应平面角的大小，即可确定立体角的度数。
这种方法更加直观，易于理解和计算。
三、应用立体角在实际生活和科学研究中有着广泛的应用。
以下是其中的几个例子：1. 光学：在光学领域中，研究光的传播和反射是非常重要的。
当光线从一种介质进入另一种介质时，会发生折射现象。
折射角的大小与入射角和介质的折射率有关。
通过计算折射角对应的立体角，可以进一步研究光的传播和折射规律。
2. 建筑设计：在建筑设计中，立体角可以用来描述建筑物之间的角度关系。
例如，在城市规划中，我们可以通过计算不同建筑物之间的立体角来优化建筑物的布局，以获得更好的采光和通风效果。
3. 数学研究：立体角作为空间几何的重要概念，被广泛应用于数学研究中。
立体几何公式
立体几何公式立体几何是研究空间中尺寸、形状、位置等几何性质的分支学科。
在立体几何中，有许多重要的公式能够帮助我们计算不同立体体量、表面积、角度和长度等物理量。
本文将详细介绍一些常用的立体几何公式，包括点、线、面、体、角、球、圆锥、圆柱、圆盘等多个几何形状。
1. 点：- 点的坐标：点的坐标可由一组数字表示，通常使用(x, y, z)表示三维空间中的点。
- 两点间的距离：两点间的距离可使用勾股定理计算，公式为：d = √((x₂ - x₁)² + (y₂ - y₁)² + (z₂ -z₁)²)。
2. 线：- 线段长度：线段的长度可以通过两点间的距离公式计算得出。
- 直线方程：直线可以使用一般式、点斜式或两点式等多种形式表示。
3. 面：- 面积：不同形状的面积计算公式略有不同，其中包括矩形的面积（A = l × w）、三角形的面积（A = 1/2 × b × h）、圆形的面积（A = πr²）等。
- 周长：周长是封闭几何图形的边界长度。
4. 体：- 体积：体积是三维几何图形的容积大小，如矩形的体积（V = l × w × h）和球的体积（V = 4/3 × πr³）等。
- 表面积：表面积是指三维几何图形的外部面积大小，如矩形的表面积（A = 2lw + 2lh + 2wh）和球的表面积（A = 4πr²）等。
5. 角：- 角度：角度是表示两条辐射线之间夹角的度量单位，常用度（°）表示。
- 三角函数：包括正弦、余弦、正切等三角函数，可用于计算角的各种相关性质。
6. 球：- 球的体积：V = 4/3 × πr³。
- 球的表面积：A = 4πr²。
7. 圆锥：- 圆锥的体积：V = 1/3 × πr²h。
- 圆锥的侧面积：A = πrl。
立体几何中角的求法
立体几何中角的求法1.异面直线所成角的求法：范围(直线与直线所成角(] 90,0∈θ：（1）平移法：在异面直线中的一条直线中选择一特殊点，作另一条的平行线；（2）补形法：把空间图形补成熟悉的或完整的几何体，如正方体、平行六面体、长方体等,其目的在于容易发现两条异面直线间的关系；2.直线与平面所成的角 范围：(直线与平面所成角[] 90,0∈θ）斜线和平面所成的是一个直角三角形的锐角，它的三条边分别是平面的垂线段、斜线段及斜线段在平面上的射影.通常通过斜线上某个特殊点作出平面的垂线段，垂足和斜足的连线,是产生线面角的关键； 3。
二面角的求法 范围：二面角])180,0[ ∈θ 方法：作，证，算知识：正弦定理,余弦定理，特殊角，反正弦(余弦，正切）(1）定义法:直接在二面角的棱上取一点(特殊点)，分别在两个半平面内作棱的垂线,得出平面角，用定义法时，要认真观察图形的特性;（2）三垂线法：已知二面角其中一个面内一点到一个面的垂线，用三垂线定理或逆定理作出二面角的平面角;（3）垂面法：已知二面角内一点到两个面的垂线时，过两垂线作平面与两个半平面的交线所成的角即为平面角，由此可知，二面角的平面角所在的平面与棱垂直；（4)射影法：利用面积射影公式S 射＝S 原cos θ,其中θ为平面角的大小，此法不必在图形中画出平面角; 特别：对于一类没有给出棱的二面角,应先延伸两个半平面，使之相交出现棱,然后再选用上述方法(尤其要考虑射影法）。
（二面角的取值范围[) 180,0∈θ) 1、在正方体1AC 中，求下列线面角 ⑴1DB 与底面AC ⑵1A B 与平面11A B CD2、如图,,,AB ABCD BC CD AB BC AD ⊥⊥=平面 与平面ABCD 所成的角为30o ⑴求AD 与平面ABC 所成的角 ⑵AC 与面ABD 所成的角线线角1. 如图所示，ABCD 是一个正四面体，E 、F 分别为BC和AD 的中点。
透镜的收集立体角计算
透镜的收集立体角计算
在光辐射测量中常用的几何量就是立体角，立体角涉及的是空间问题，任意光源辐射的能量都是辐射在它周围的一定空间内，因此在进行有关辐射的讨论和计算时也将是一个立体空间问题，与平面角相似，我们把整个空间以某一点为中心，划分成若干立体角。
立体角的单位：假定以锥顶为球心，以r为半径作一圆球，如果锥面在圆球上所截出的面积等于r2，则该立体角为一个'球面度'（sr）。
整个球面的面积为4πr2。
提出了一个逐次逼近的计算方法，扩展了对LED自由曲面透镜的计算能力。
首先用光通量线方法计算来自LED的n条光线的角度，使它们携带着相同的能量；再由照度分布要求求得像面上n个目标落点的位置。
设定一个尝试平面为透镜的最后一面，并任意给定此平面上的n个尝试折射点位置，从而得到n个总的光线偏折角。
按给定的透镜各面偏折光线能力的权重把总偏折角分配到各面，得到每个表面前后的光线角度，再用折射定律求得构成各面的n个连续的小面。
同时可得到光线的修正方向，用于下一次循环计算。
这样逐次逼近计算，直至误差满足预先给定的任意小量的要求。
新方法可以用于多种计算，包括像面照度分布事先给定、一个或多个透镜的形状的同步计算、远场或近场照明、照明面是平面或曲面，或者
以上这些情况的结合。
该方法有很强的计算能力，简单易行，且以一个很快的收敛速度达到相应的精度。
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立体角、空间角及发光角计算公式
摘要：本文应用数学工具，推导出灯具在两个相互垂直方向上的发光角同立体角之间的关系。
关键词：立体角，发光角。
0引言
光强度是照明工程中的一个重要术语，其定义是“光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量”，一般以I 表示。
若在某微小立体角d Ω内的光通量为d Φ（ψ，θ），则该方向上的光强为：
I （ψ，θ）=d Φ（ψ，θ）/d Ω。
式中，d Ω的单位为sr （球面度），光强的单位为cd （坎德拉，烛光）。
1 cd=1 lm/sr 。
但关于立体角的计算方法，照明教材及各类文献中却没有述及。
这给从事照明工程的专业技术人员带来很大的困惑。
1立体角的定义
将弧度表示平面角度大小的定义（弧长除以半径）推广到三维空间中，定义“立体角”为：球面面积与半径平方的比值。
即：Ω=
2r
A
图1平面角（单位：弧度rad ） 图2立体角（单位：球面度sr ）
2立体角的计算
设灯具在两个相互垂直方向上的发光角为2α和2β，求其所对应的立体角的大小。
设0<2α<π，0<2β<π
不失一般性，设球体半径为单位长度1，坐标原点在球心，坐标轴方向如图。
根据定义，只须求出两角所夹球面的面积，即是立体角的大小。
由于对称性，只需求出第一卦限内的面积再乘以4即可。
图3 计算示意图
曲面面积计算公式为： A=
⎰⎰
∂∂+∂∂+D
y
z x z 2
2)()(
1dxdy （1） 上半球球面方程为：
Z=2
2
1y x -- （2）
由 x z ∂∂=221y
x x --- （3）
221y
x y y z ---=
∂∂ （4） 得 222211)()(
1y
x y z x z --=∂∂+∂∂+ （5）
代入（1）式得： A=
⎰⎰
--D
y
x dxdy 2
2
1 (6)
利用极坐标，得： A=
⎰⎰
-D
r
rdrd 2
1θ (7)
易知，积分区域在xy 平面上的投影是由两条椭圆曲线围成，方程分别为：
α
2
2sin x +y 2
=1 (8) x 2
+β
22sin y =1 (9)
交点坐标（
βαβα2
2
sin sin 1cos sin -,
β
αα
β2
2sin sin 1cos sin -)
φ1=arctg αβ
tg tg (10)
φ2=arctg β
α
tg tg (11)
将x=rcos Φ，y=rsin Φ带入（8）、（9）式，得极坐标表示的边界方程为： α22
2sin cos sin 11Φ+
Φ=
r (12)
β
22
2sin sin cos 12Φ+
Φ=
r (13)
图4 xy 面投影
X
Y
1
2
D
r1
r2
根据对称性，有：
A=4(A1+A2) (14) A1=⎰
⎰
-ΦΦ1
02
1
01r r rdr d A2=
⎰
⎰
Φ-Φ2
2
2
1r r
rdr
d
于是， A1=10
1
2
1(r r d ⎰
Φ--Φ
=
⎰
ΦΦ+
Φ-
-1
22
2sin cos sin 111(α
）dΦ
=Φ1-⎰
ΦΦ+Φ-1
0222
2cos sin sin sin 1αα
dΦ =Φ1-
⎰
ΦΦ+Φ-Φ
Φ1
02
22sin sin sin 1cos cos ααd
设t=sinΦ，则cosΦdΦ=dt A1=Φ1-⎰Φ-1
sin 02
2cos 1cos t
dt αα =Φ1-
⎰
Φ-1
sin 0
2
2
cos /1t
dt
α =Φ1-arcsin(cos α·t)
1sin 0
Φ
=Φ1-arcsin(cos αsinΦ1) (15) 同理，
A2=Φ2-arcsin(cosβsinΦ2) (16)
带入（14）式,得出最终结果：
A=4(arctg
αβtg tg -arcsin(cos αsin(arctg αβ
tg tg )) +arctg βαtg tg -arcsin(cosβsin(arctg β
α
tg tg ))) (17)
特别地，当α=β时，Φ1=Φ2=π/4， A1=A2=π/4-arcsin(cos α/2)
3数值结果
参考文献
⑴周太明等，电气照明设计，复旦大学出版社，2001，11
⑵同济大学数学教研室，高等数学，高等教育出版社，1998，12
⑶陈大华等译，光源与照明（第四版），复旦大学出版社，2000，1
注：本文发表于《中国照明学会（2005）学术年会论文集》，2005.9·上海。