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。 多光子显微镜能提供多种对比度机制。美国荧光多光子显微镜成像区域
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。美国清醒动物多光子显微镜峰值功率密度多光子显微镜在基础科学和临床诊断领域的应用范围正在持续增长。
与传统的单光子宽场荧光显微镜相比，多光子显微镜(MPM)具有光学切片和深度成像的功能，极大地促进了研究人员对整个大脑深部神经的认识。2019年，JeromeLecoq等从脑深部神经元成像、大数量神经元成像、高速神经元成像三个方面讨论了相关的MPM技术。为了将神经元活动与复杂行为联系起来，通常需要对大脑皮层深处的神经元进行成像，这就要求MPM具备深度成像的能力。激发光和发射光会被生物组织高度散射和吸收，这是限制MPM成像深度的主要因素。虽然增加激光强度可以解决散射问题，但会带来其他问题，如烧焦样品、散焦和近表面荧光激发。增加MPM成像深度的比较好方法是使用更长的波长作为激发光。另外，对于双光子（2P）成像而言，离焦和近表面荧光激发是两个比较大的深度限制因素，而对于三光子（3P）成像这两个问题大大减小，但是三光子成像由于荧光团的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高数量级的脉冲能量才能获得与2P激发的相同强度的荧光信号。
光学成像技术与分子生物学技术的结合为研究上述科学问题提供了条件与可能。因此，在现代分子生物学技术基础上，急需发展新的成像技术。在动物体内，如何实现基因表达及蛋白质之间相五作用的实时在体成像监测是当前迫切需要解决的重大科学技术问题。这是也生物学、信息科学（光学）和基础临床医学等学科共同感兴趣的重大问题。对这-一一科学问题的研究不仅有助于阐明生命活动的基本规律、认识疾病的发展规律，而且对创新药物研究、药物疗效评价以及发展疾病早期诊断技术等产生重大影响。光子显微成像技术不是什么新技术，早在20多年前就有了，目前已经在生命科学和材料科学中广泛应用。
多光子显微镜因拥有较深的成像深度，和较高的对比度在生物成像中有着重要的意义，但是它通常需要较高的功率。结合时间上展开的超短脉冲可以实现超快的扫描速度和较深的成像深度，但是其本身所利用的近红外波段的光会导致分辨率较低。清华大学陈宏伟教授和北京大学席鹏研究员合作研究，结合了结构光成像和上转化粒子，开发了一种基于多光子上转化材料和时间编码结构光显微镜的高速超分辨成像系统(MUTE-SIM)。它可以实现50MHz的超高的扫描速度，并突破了衍射极限，实现了超分辨成像。相较于普通的荧光显微镜，该显微镜提升了，并且只需要较低的激发功率。这种超快、低功率、多光子的超分辨技术，在分辨率高的生物深层组织成像上有着长远的应用前景。 目前中国显微镜中如多光子显微镜、共聚焦扫描和电子显微镜等。多光子显微镜飞秒激光
显微镜简史：从光到多光子显微镜。美国荧光多光子显微镜成像区域
使用MPM对神经元进行成像时，通过随机访问扫描—即激光束在整个视场上的任意选定点上进行快速扫描—可以只扫描感兴趣的神经元，这样不仅避免扫描到任何未标记的神经纤维，还可以优化激光束的扫描时间。随机访问扫描可以通过声光偏转器（AOD）来实现，其原理是将具有一个射频信号的压电传感器粘在合适的晶体上，所产生的声波引起周期性的折射率光栅，激光束通过光栅时发生衍射。通过射频电信号调控声波的强度和频率从而可以改变衍射光的强度和方向，这样使用1个AOD就可以实现一维横向的任意点扫描，利用1对AOD，结合其他轴向扫描技术可实现3D的随机访问扫描。但是该技术对样本的运动很敏感，易出现运动伪影。目前，快速光栅扫描即在FOV中进行逐行扫描，由于利用算法可以轻松解决运动伪影而被普遍的使用。美国荧光多光子显微镜成像区域
