光穿過頭部
在近紅外「光學窗口」（約 700–900 奈米）中，組織相對透明，主要吸收者是含氧與去氧血紅素。功能性近紅外光譜術從頭皮上的光源射出近紅外光，數公分外的偵測器接住那些以香蕉形路徑穿過皮質、被漫散射回來的光子。光源–偵測器間距決定了取樣深度——大約是間距的一半。
\Delta A = \log_{10}\!\frac{I_{0}}{I} = \varepsilon\,\Delta c\,d\,\cdot\mathrm{DPF}比爾–朗伯修正定律：量測到的衰減變化，正比於發色團濃度變化 Δc、光源–偵測器間距 d，以及描述散射所增加額外路徑的微分路徑長因子（DPF）。
把光射入頭部，當血液吸收更多光時，出來的光就更少。這條定律把它量化：光的衰減正比於吸光分子濃度的變化、乘上光走過的距離、再乘上一個修正因子（DPF），以計入散射迫使光多繞的曲折路徑。這是 fNIRS 的核心。
- \Delta A
- 衰減的變化——光暗了多少。
- \varepsilon
- 消光係數——該分子在此波長的吸光強度。
- \Delta c
- 發色團（如血紅素）濃度的變化——我們想求的量。
- d\cdot\mathrm{DPF}
- 光源–偵測器間距乘上一個修正散射額外路徑的因子。
若兩對光源–偵測器的間距 d 不同，同樣的血液變化在較寬的間距上會造成成比例更大的 \Delta A——深度就是這樣被拆解出來的。
單一波長無法區分含氧與去氧血紅素，所以 fNIRS 至少量測兩個波長。有了兩個波長、兩個未知數，便可逐通道反轉一個小的消光係數矩陣，還原 ΔHbO 與 ΔHbR。
\begin{bmatrix}\Delta A_{\lambda_1}\\[2pt] \Delta A_{\lambda_2}\end{bmatrix} = d\,\mathrm{DPF}\begin{bmatrix}\varepsilon^{\lambda_1}_{\mathrm{HbO}} & \varepsilon^{\lambda_1}_{\mathrm{HbR}}\\[2pt] \varepsilon^{\lambda_2}_{\mathrm{HbO}} & \varepsilon^{\lambda_2}_{\mathrm{HbR}}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}\Delta c_{\mathrm{HbO}}\\[2pt] \Delta c_{\mathrm{HbR}}\end{bmatrix}兩個波長、兩個未知數：反轉這個 2×2 消光矩陣，即可還原含氧與去氧血紅素的變化——這是 fNIRS 的核心運算。
你在意兩件事——含氧與去氧血紅素——所以用兩種顏色的光做兩次量測，每種顏色對這兩種分子的「看法」不同。這給出兩條方程式、兩個未知數；反轉這個記錄「每種顏色被每種分子吸收多少」的 2\times2 小表格，就能乾淨地把兩個血液訊號分開。這是 fNIRS 的核心運算。
- \Delta A_{\lambda_1},\,\Delta A_{\lambda_2}
- 兩個波長各自量到的衰減變化。
- \varepsilon_{\mathrm{HbO}},\,\varepsilon_{\mathrm{HbR}}
- 含氧與去氧血紅素在各波長的吸光強度。
- \Delta c_{\mathrm{HbO}},\,\Delta c_{\mathrm{HbR}}
- 兩個未知數——你要解出的血液變化。
選兩個吸光差異很大的波長，會讓矩陣良態、分離可靠；選得太相近，反轉就會放大雜訊。
量到的是血流動力，不是神經
這是整個光學家族誠實的天花板。fNIRS 看不到神經元放電；它看到的是神經元觸發的神經血管反應——一道落後活動約 4–6 秒、本質上低通的血流動力波。任何電子技術都無法讓緩慢的生理訊號變快。無論光學做得多好，這都把資訊傳輸率壓在遠低於電學 BCI 的水準。
還有一個混淆問題：大部分光路穿過的是頭皮與顱骨，所以全身性生理——頭皮血流、心率、血壓的 Mayer 波——都會污染訊號。標準的防禦是短間距通道（一組近到碰不到皮質的光源–偵測器對），量測淺層訊號並將其迴歸扣除。
沿解析度階梯而上
以通道為基礎的 fNIRS 是入門階。其上，高密度漫射光學斷層術疊合大量彼此重疊的光源–偵測器量測，並解一個逆問題來重建體積影像，在頭皮上逼近 fMRI 般的圖譜。見 HD-DOT。
兩項改良提升了定量。時域 fNIRS發射皮秒脈衝並對單一光子計時——較晚到的光子走得較深，故飛行時間可將皮質訊號與頭皮訊號分離，並給出絕對濃度。漫射相關光譜術則讀取相干光的斑點去相關速率，直接量測血流而非血氧。
最誘人的光學訊號是快速光學訊號（EROS）——一種與神經活動本身相連的散射變化，因而是快速的（毫秒級）而非血流動力。原則上它繞過了速度天花板，但其訊雜比極其微小，這正是它至今仍是研究奇珍、而非 BCI 主力的原因。
功能性超音波：深部的血流動力
功能性超音波（fUS）運用超快平面波成像與功率都卜勒，以驚人的時空解析度與真正的深度穿透來繪製腦血容積——遠勝 fNIRS。代價在顱骨：超音波會被骨頭強烈反射與衰減，故在成人身上 fUS 需要一個聲學窗口（削薄的顱骨、開顱，或植入的透明顱骨），使它歸入微創一欄，而非完全非侵入。在新生兒身上，它可透過囟門成像。