CCD（電荷耦合器件）在工作時(shí)，CCD基底材料會(huì)因熱激發(fā)而產(chǎn)生少量的自由電子，這些電子與光子激發(fā)的信號(hào)電子混合在一起，形成了一種無(wú)法區(qū)分的“背景噪聲”，這就是所謂的暗電流（Dark Current）。深度制冷是降低暗電流最有效的方法，每降低6-8℃，暗電流就會(huì)減半。因此，一個(gè)制冷深度更深的系統(tǒng)，意味著它在長(zhǎng)時(shí)間曝光下，背景將更純凈，圖像質(zhì)量更高。

2.讀出噪聲（Readout Noise）

當(dāng)CCD將接收到的光子信號(hào)（電荷）轉(zhuǎn)移出相機(jī)并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)時(shí)，這個(gè)讀出過(guò)程本身會(huì)產(chǎn)生一種固有的電子噪聲，這就是讀出噪聲。在低光照、微弱熒光信號(hào)的活體成像實(shí)驗(yàn)中，讀出噪聲就成了決定性的因素。一個(gè)極低的讀出噪聲意味著相機(jī)可以更有效地檢測(cè)到微弱信號(hào)，使圖像更干凈，從而獲得更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

3.信噪比（SNR）

信噪比是衡量系統(tǒng)性能的最終核心指標(biāo)。它是一個(gè)比值，分子是有效信號(hào)，分母是各種噪聲（包括暗電流、讀出噪聲、散發(fā)熒光等）。一個(gè)優(yōu)秀的系統(tǒng)，就是通過(guò)最小化分母中的噪聲項(xiàng)，同時(shí)最大化分子中的信號(hào)項(xiàng)，從而實(shí)現(xiàn)最高的信噪比。

4.CCD像素

更高像素 = 更高分辨率：一臺(tái)相機(jī)的總像素?cái)?shù)指的是其傳感器上感光單元的數(shù)量。像素越多，傳感器就能將場(chǎng)景分割得越細(xì)，捕獲的細(xì)節(jié)就越多。像素總數(shù)很重要，但單個(gè)像素的物理尺寸更重要。

• 大像素 vs. 小像素：
  

• 更大的像素：
  

• 當(dāng)傳感器總尺寸固定時(shí)，像素?cái)?shù)量較少意味著每個(gè)像素的感光面積更大。
  

• 優(yōu)點(diǎn)：能捕獲更多的光線，具有更好的信噪比。表現(xiàn)在照片上就是噪點(diǎn)更少、畫(huà)質(zhì)更純凈，尤其在弱光環(huán)境下（如夜景、室內(nèi)）表現(xiàn)遠(yuǎn)勝于高像素小尺寸的傳感器。動(dòng)態(tài)范圍（同時(shí)記錄最亮和最暗細(xì)節(jié)的能力）通常也更好。

• 更小的像素：
  

• 在同樣大小的傳感器上塞進(jìn)更多的像素，每個(gè)像素的感光面積就變小了。
  

• 缺點(diǎn)：容易產(chǎn)生更多的熱噪點(diǎn)和電子噪聲，尤其是在高ISO（感光度）下，畫(huà)質(zhì)會(huì)下降。
  

    高像素（小像素）：用很多個(gè)小杯子（像素）擺滿游泳池。杯子多，能記錄雨滴落下的位置更精確（分辨率高），但每個(gè)杯子接的水（光線）少。

• 鹵素?zé)?氙燈能產(chǎn)生從紫外（~300 nm）到近紅外（~1000 nm甚至更遠(yuǎn)）的連續(xù)光譜，非常接近于完美的太陽(yáng)光。
  

• 這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)椴煌臒晒馓结樣胁煌淖罴鸭ぐl(fā)波長(zhǎng)（例如，GFP約在488nm被激發(fā)，而RFP約在558nm）。一個(gè)寬光譜光源可以同時(shí)高效地激發(fā)多種不同的熒光標(biāo)記物，只需通過(guò)更換濾光片來(lái)選擇所需的激發(fā)波段即可。一臺(tái)設(shè)備就能滿足多種實(shí)驗(yàn)需求，靈活性和性價(jià)比極高。
  

• 活體成像的對(duì)象是整個(gè)活體動(dòng)物（如小鼠），光線需要穿透皮膚、肌肉、骨骼等組織才能到達(dá)深處的目標(biāo)（如腫瘤、器官），并被探測(cè)器捕獲。
  

• 這個(gè)過(guò)程中光線會(huì)被散射和吸收，損耗極大。因此，需要一個(gè)極其明亮的光源，以確保有足夠多的光子能到達(dá)目標(biāo)并返回到相機(jī)形成有效信號(hào)。高功率的氙燈（常為100W以上）能提供這種所需的高強(qiáng)度光。

要更好地理解為什么是鹵素?zé)?，可以看看其他光源的局限性?br/>

• LED (Light-Emitting Diodes)
  

• 優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能、壽命長(zhǎng)、體積小、發(fā)熱量低、可瞬間開(kāi)關(guān)。
  

• 缺點(diǎn)：
  光譜窄：?jiǎn)蝹€(gè)LED通常只發(fā)出一個(gè)很窄波段的光（例如470nm ±10nm）。要覆蓋寬光譜，就需要集成多個(gè)不同波長(zhǎng)的LED，這會(huì)使系統(tǒng)變得復(fù)雜和昂貴。
  光強(qiáng)不足：雖然LED技術(shù)發(fā)展很快，但在需要極高光強(qiáng)以穿透厚組織時(shí)，特別是對(duì)于激發(fā)效率較低的探針，大功率氙燈的整體光通量仍然更具優(yōu)勢(shì)。
  

• 現(xiàn)狀：近年來(lái)，高功率多波段LED光源正在快速發(fā)展，并在一些對(duì)穿透深度要求不高的應(yīng)用中開(kāi)始取代鹵素?zé)?，但在高端的深層組織成像中，鹵素?zé)?氙燈仍是主流。
  

在傳輸激發(fā)光的路上，光纖本身也會(huì)發(fā)出微弱的熒光，對(duì)目標(biāo)信號(hào)造成干擾。采用超低熒光光纖能從源頭降低這種背景干擾，保證你的熒光信號(hào)純粹無(wú)瑕。

• 問(wèn)題所在（普通光纖的缺陷）： 普通的光纖在受到激發(fā)光（尤其是高能量的紫外或藍(lán)光）照射時(shí)，自身會(huì)發(fā)出微弱的熒光（稱為“自體熒光”或“光纖熒光”）。這種熒光會(huì)成為背景噪聲。
  

• 在活體成像中的影響： 小動(dòng)物體內(nèi)的熒光信號(hào)本身就已經(jīng)非常微弱，并且經(jīng)過(guò)組織衰減后更是微乎其微。如果用來(lái)傳輸激發(fā)光的光纖自身發(fā)出的熒光噪聲與真實(shí)的生物信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)甚至更強(qiáng)，那么真實(shí)的信號(hào)就會(huì)被淹沒(méi)在噪聲中，導(dǎo)致無(wú)法檢測(cè)或數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。
  

• 超低熒光光纖的解決方案： 這種光纖采用特殊摻雜的石英材料（通常具有極高的純度和經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理的羥基-OH-含量）和制造工藝，使其在常用的激發(fā)波長(zhǎng)（如400-900 nm）下幾乎不產(chǎn)生任何自體熒光。

活體成像面臨的根本挑戰(zhàn)是：設(shè)備探測(cè)到的原始信號(hào)（Raw Data）是多種因素的混合體，而非目標(biāo)生物信號(hào)的真實(shí)反映。 這些因素包括：

1. 非特異性背景：動(dòng)物自身熒光（皮毛）、儀器噪聲等。
   

2. 光子與組織的復(fù)雜相互作用：吸收（如血紅蛋白對(duì)藍(lán)綠光的強(qiáng)烈吸收）和散射，導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重衰減和空間分布扭曲。
   

3. 實(shí)驗(yàn)變量的干擾：探針注射劑量、注射效率、動(dòng)物個(gè)體差異（體重、代謝率）等。
   

4. 儀器本身的偏差：光源強(qiáng)度波動(dòng)、相機(jī)像素響應(yīng)不一致、濾光片效率等。如果不對(duì)這些因素進(jìn)行校正，直接比較不同時(shí)間點(diǎn)、不同動(dòng)物、不同實(shí)驗(yàn)組之間的“原始熒光值”是沒(méi)有意義的。數(shù)據(jù)校正主要分為兩大類：儀器硬件校正和生物背景校正。

• 平場(chǎng)校正 (Flat-field Correction)

• 相機(jī)芯片不同像素的靈敏度存在微小差異；鏡頭邊緣可能存在暗角（vignetting），導(dǎo)致圖像中心亮、四周暗；光源照明可能不均勻。
  

• 重要性：這是進(jìn)行任何定量分析前必須做的第一步，否則圖像不同區(qū)域的強(qiáng)度無(wú)法直接比較。
  

• 暗場(chǎng)校正 (Dark-current Correction)

• 即使沒(méi)有任何光線進(jìn)入，相機(jī)傳感器因熱效應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，即“暗電流”或“熱像素”（Hot Pixels），表現(xiàn)為圖像上的固定噪聲。這在長(zhǎng)曝光時(shí)尤其嚴(yán)重。
  

• 重要性：消除相機(jī)本身的熱噪聲，提高圖像的信噪比（SNR），是檢測(cè)弱信號(hào)的關(guān)鍵。
  

• 背景熒光校正 (Background Fluorescence Subtraction)

• 問(wèn)題：動(dòng)物自身組織（如皮膚、毛發(fā)、內(nèi)臟）在激發(fā)光照射下會(huì)產(chǎn)生非特異性熒光，與探針的特異性信號(hào)混合在一起。
  

• 重要性：得到探針的真實(shí)凈信號(hào)。這是計(jì)算靶背景比（TBR）的基礎(chǔ)。