光學成像技術與分子生物學技術的結合為研究上述科學問題提供了條件與可能。因此，在現代分子生物學技術基礎上，急需發展新的成像技術。在動物體內，如何實現基因表達及蛋白質之間相五作用的實時在體成像監測是當前迫切需要解決的重大科學技術問題。這是也生物學、信息科學（光學）和基礎臨床醫學等學科共同感興趣的重大問題。對這-一一科學問題的研究不僅有助于闡明生命活動的基本規律、認識疾病的發展規律，而且對創新藥物研究、藥物療效評價以及發展疾病早期診斷技術等產生重大影響。多光子顯微鏡的發展歷史充滿了貢獻、開發、進步和數個世紀以來多個來源和地點的改進。美國靈長類多光子顯微鏡實驗

對于雙光子（2P）成像而言，離焦和近表面熒光激發是兩個比較大的深度限制因素，而對于三光子（3P）成像這兩個問題大大減小，但是三光子成像由于熒光團的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高數量級的脈沖能量才能獲得與2P激發的相同強度的熒光信號。功能性3P顯微鏡比結構性3P顯微鏡的要求更高，它需要更快速的掃描，以便及時采樣神經元活動；需要更高的脈沖能量，以便在每個像素停留時間內收集足夠的信號。復雜的行為通常涉及到大型的大腦神經網絡，該網絡既具有局部的連接又具有遠程的連接。要想將神經元活動與行為聯系起來，需要同時監控非常龐大且分布普遍的神經元的活動，大腦中的神經網絡會在幾十毫秒內處理傳入的刺激，要想了解這種快速的神經元動力學，就需要MPM具備對神經元進行快速成像的能力。快速MPM方法可分為單束掃描技術和多束掃描技術。美國飛秒激光多光子顯微鏡技術多光子顯微鏡能提供多種對比度機制。

單光子激發熒光的過程，就是熒光分子吸收一個光子，從基態躍遷到激發態，躍遷以后，能量較大的激發態分子，通過內轉換把部分能量轉移給周圍的分子，自己回到比較低電子激發態的比較低振動能級。處于比較低電子激發態的比較低振動能級的分子的平均壽命大約在10s左右。這時它不是通過內轉換的方式來消耗能量，回到基態，而是通過發射出相應的光量子來釋放能量，回到基態的各個不同的振動能級時，就發射熒光。因為在發射熒光以前已經有一部分能量被消耗，所以發射的熒光的能量要比吸收的能量小，也就是熒光的特征波長要比吸收的特征波長來的長。

對于雙光子(2P)成像，散焦和近表面熒光激發是兩個相對較大的深度限制因素，而對于三光子(3P)成像，這兩個問題**減少。然而，由于熒光團的吸收截面遠小于2P，三光子成像需要更高的脈沖能量才能獲得與2P相同激發強度的熒光信號。功能性3P顯微鏡比結構性3P顯微鏡要求更高，后者需要更快的掃描速度以便及時采樣神經元活動。為了在每個像素的停留時間內收集足夠的信號，需要更高的脈沖能量。復雜的行為通常涉及大規模的大腦神經網絡，這些網絡既有本地連接，也有遠程連接。為了將神經元的活動與行為聯系起來，需要同時監測***分布的超大型神經元的活動。大腦中的神經網絡將在幾十毫秒內處理輸入的刺激。為了理解這種快速神經元動力學，MPM需要快速成像神經元的能力。快速MPM方法可分為單束掃描技術和多束掃描技術。使用雙光子顯微鏡觀察標本的時候，只有在焦平面上才有光漂白和光毒性。

多光子成像系統提供的優勢包括了真正的三維成像、對活組織內部深處進行成像的能力以及消除平面外熒光的能力。使用這種方法進行成像，可以對斯托克斯位移非常短和/或效率非常低的熒光染料進行成像，甚至可以對樣品或組織中固有的熒光分子進行成像。多光子成像的缺點包括需要高峰值功率脈沖激光器，例如鎖模鈦：藍寶石激光器，并且直到現在，缺乏在整個發射范圍內提供足夠吞吐量的高性能濾光片。整個激光調諧范圍內的興趣和足夠的阻擋。利用多光子顯微鏡的多點光ji活能力，我們可以研究多個神經細胞之間的連接和控制。美國靈長類多光子顯微鏡實驗

多光子顯微鏡的成熟的深部組織成像技術中。還有其他類型的圖像對比提供有關樣本的有價值信息。美國靈長類多光子顯微鏡實驗

根據阿貝成像原理，許多光學成像系統是一個低通濾波器，物平面包含從低頻到高頻的信息，透鏡口徑會限制高頻信息通過，只允許一定的低頻通過，因此丟失了高頻信息會使成像所得圖像的細節變模糊，降低分辨率。對于三維成像來說，寬場照明時得到的信息不僅包含物鏡焦平面上樣品的部分信息，同時還包含焦平面外的樣品信息。由于受到焦平面外的信息干擾，常規熒光顯微鏡無法獲得層析圖像。三維結構光照明顯微鏡能夠提高分辨率、獲得層析圖像，是因為利用特定結構的照明光能引入樣品的高頻信息，當結構光的空間頻率足夠高時，只有靠近焦面的部分才能被結構光調制，超出這一區域，逐漸轉變為均勻照明，也就是只有焦面附近的有限區域具有相對完整的頻譜信息，離焦后，高頻信息迅速衰減，所以使用高頻結構光照明可以區分焦面和離焦區域來獲得層析圖像。然后再通過軸向掃描可以獲取樣品不同深度的焦面圖像，重建樣品的三維結構。美國靈長類多光子顯微鏡實驗