根据阿贝成像原理，许多光学成像系统是一个低通滤波器，物平面包含从低频到高频的信息，透镜口径会限制高频信息通过，只允许一定的低频通过，因此丢失了高频信息会使成像所得图像的细节变模糊，降低分辨率。对于三维成像来说，宽场照明时得到的信息不仅包含物镜焦平面上样品的部分信息，同时还包含焦平面外的样品信息。由于受到焦平面外的信息干扰，常规荧光显微镜无法获得层析图像。三维结构光照明显微镜能够提高分辨率、获得层析图像，是因为利用特定结构的照明光能引入样品的高频信息，当结构光的空间频率足够高时，只有靠近焦面的部分才能被结构光调制，超出这一区域，逐渐转变为均匀照明，也就是只有焦面附近的有限区域具有相对完整的频谱信息，离焦后，高频信息迅速衰减，所以使用高频结构光照明可以区分焦面和离焦区域来获得层析图像。然后再通过轴向扫描可以获取样品不同深度的焦面图像，重建样品的三维结构。多光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。模块化多光子显微镜长时间观察
我们要指出的是，单光子激发荧光和双光子激发荧光，是从荧光产生的机理上来区分的。而共焦则是荧光显微镜的一种结构，其目的是为了，通过共焦结构，提高整个荧光显微镜的空间分辨率。所以共焦荧光显微镜可以根据激发光源的不同，实现单光子共焦荧光成像或者双光子共焦荧光成像。往往一个普通的双光子荧光显微镜（没有共焦结构）其空间分辨率也可以达到单光子共焦荧光显微镜的水平。这样就可以简化整个系统，相对来说，就提高了激发光源的利用率，以及荧光的探测效率，这个也是我们提倡双光子荧光成像的原因之一。双光子荧光共焦显微镜由于双光子效应和共焦结构，分辨率则会更高，而我们通常说的共焦显微镜都是指单光子激发荧光的。美国激光扫描多光子显微镜单分子成像定位显微镜简史：从光到多光子显微镜。
双光子显微镜工作原理是将超快的红外激光脉冲传输到样品中，在样品中与组织或荧光标记相互作用，这些组织或荧光标记发出用于创建图像的信号。双光子显微镜被多用于生物学研究，因为它能够产生高分辨率的3-D图像，深度达1毫米。然而，这些优点带来了有限的成像速度，因为微光条件需要逐点图像采集和重建的点检测器。为了加快成像速度，科学家之前开发了一种多焦点激光照明方法，该方法使用数字微镜设备(DMD)，这是一种通常用于投影仪的低成本光扫描仪。此前人们认为这些DMD不能与超快激光一起工作。然而现在解决了这个问题，这使得DMD在超快激光应用中得以应用，这些应用包括光束整形、脉冲整形、快速扫描和双光子成像。DMD在样品内随机选择的位置上产生5到30点聚焦激光。
2020年，JianglaiWu等人提出提高2PM横向扫描速率的装置，称为FACED（free-spaceangular-chirp-enhanceddelay）。圆柱透镜将激光束一维聚焦，会聚角为Δθ。光束进入到一对几乎平行的高反射镜中，其间距为S，偏角为α。经过反射镜多次反射后，激光脉冲被分成多个传播方向不同的子脉冲（N=Δθ/α），脉冲间以2S/c的时间延迟（c，光速）回射。FACED模块输出处的子脉冲序列可以看作从虚拟光源阵列发出的光，这些子脉冲在中继到显微镜物镜后形成了一个空间上分离且时间延迟的焦点阵列。然后将该模块并入具有高速数据采集系统的标准双光子荧光显微镜中。光源是具有1MHz重复频率的920nm的激光器，通过FACED模块可产生80个脉冲焦点，其脉冲时间间隔为2ns。这些焦点是虚拟源的图像，虚拟源越远，物镜处的光束尺寸越大，焦点越小。光束沿y轴比x轴能更好地充满物镜，从而导致x轴的横向分辨率为0.82µm，y轴的横向分辨率为0.35µm。多光子成像是一种非线性的过程，信号产生要求功率密度达到MW/cm2的量级。
使用基因编码的荧光探针可以在突触和细胞分辨率下监测体内神经元信号，这是揭示动物神经活动复杂机制的关键。使用双光子显微镜（2PM）可以以亚细胞分辨率对钙离子传感器和谷氨酸传感器成像，从而测量不透明大脑深处的活动；成像膜电压变化能直接反映神经元活动，但神经元活动的速度对于常规的2PM来说太快。目前电压成像主要通过宽场显微镜实现，但它的空间分辨率较差并且于浅层深度。因此要在不透明的大脑中以高空间分辨率对膜电压变化进行成像，需要明显提高2PM的成像速率。目前主要使用的多光子显微镜包括双光子显微镜和三光子显微镜。美国布鲁克多光子显微镜设备
多光子激光扫描显微镜采用波长较长的红外激光,能量脉冲式激发,红外光比可见光在生物组织中的穿透力更强。模块化多光子显微镜长时间观察
多光子激发扫描显微成像系统的不足。只能对荧光成像。如果样品包括能够吸收激发光的色团，如色素，样品可能受到热损伤。分辨率略有降低，虽然可以通过同时利用共焦的小孔得到改善，但是信号会有损耗。受昂贵的超快激光器限制，多光子扫描显微镜的成本较高。多光子激发显微镜应用举例。动物和脑片神经细胞结构与功能、动物脑皮层的成像、胚胎发育过程的长时间动态观测、多光子激发光解笼、细胞内微区钙动力学、多光子激发自发荧光、其它应用。模块化多光子显微镜长时间观察
