对于两个远距离(相距1-2mm以上)的成像部位，通常采用两个**的路径进行成像；对于相邻区域，通常使用单个物镜的多个光束进行成像。多光束扫描技术必须特别注意激发光束之间的串扰，这可以通过事后光源分离或时空复用来解决。事后光源分离法是指分离光束以消除串扰的算法；时空复用法是指同时使用多个激发光束，每个光束的脉冲在时间上被延迟，使不同光束激发的单个荧光信号可以暂时分离。引入的光束越多，可以成像的神经元越多，但多束会导致荧光衰减时间重叠增加，从而限制了分辨信号源的能力；并且复用对电子设备的工作速度要求很高；大量的光束也需要较高的激光功率来维持单束的信噪比，这样容易导致组织损伤。多光子显微镜作为一种研究微观结构和功能的技术，在众多领域得到了普遍的应用。离体多光子显微镜Ultima Investigator
Ca2+是一种重要的第二信使，在调节细胞生理反应中起着重要作用。发展和利用双光子荧光显微成像技术观测Ca2+荧光信号，可以从某些方面分析生物体或细胞的变化机制，具有重要意义。利用双光子荧光显微成像技术，我们可以观察到细胞内荧光探针标记的Ca2*的时间和空间荧光图像的变化，也可以观察到一定水平或部分细胞内(Ca2+)的荧光图像和变化。通过对单个细胞的研究发现，Ca2+的分布不仅在细胞的局部区域之间是不均匀的，而且在细胞内不同深度或层次的局部区域之间也存在不同程度的Ca2+梯度，称为空间Ca2+梯度。美国清醒动物多光子显微镜供应商多光子激光扫描显微镜更能解决生物组织中深层物质的层析成像问题, 扩大了应用范围。
Ca2+是重要的第二信使，对于调节细胞的生理反应具有极其重要的作用，开发和利用双光子荧光显微成像技术对Ca2+荧光信号进行观测，可以从某些方面对有机体或细胞的变化机制进行分析，具有重要的意义。利用双光子荧光显微成像技术可以观察细胞内用荧光探针标记的Ca2*的时间和空间的荧光图像的变化，还可以观察细胞某一层面或局部的（Ca2+）荧光图像和变化。通过对单细胞的研究发现，Ca2+不仅在细胞局部区域间的分布是不均匀的，而且细胞内各局部区域的不同深度或层次间也存在不同程度的Ca2+梯差即所谓的空间Ca2梯差。
单光子激发荧光的过程，就是荧光分子吸收一个光子，从基态跃迁到激发态，跃迁以后，能量较大的激发态分子，通过内转换把部分能量转移给周围的分子，自己回到比较低电子激发态的比较低振动能级。处于比较低电子激发态的比较低振动能级的分子的平均寿命大约在10s左右。这时它不是通过内转换的方式来消耗能量，回到基态，而是通过发射出相应的光量子来释放能量，回到基态的各个不同的振动能级时，就发射荧光。因为在发射荧光以前已经有一部分能量被消耗，所以发射的荧光的能量要比吸收的能量小，也就是荧光的特征波长要比吸收的特征波长来的长。多光子显微镜的大多数补偿器都采用棱镜。
快速光栅扫描有多种实现方式，使用振镜进行快速2D扫描，将振镜和可调电动透镜结合在一起进行快速3D扫描，但可调电动透镜由于机械惯性的限制在轴向无法快速进行焦点切换，影响成像速度，现可使用空间光调制器（SLM）代替。远程聚焦也是一种实现3D成像的手段，如图2所示。在LSU模块中，扫描振镜进行横向扫描，ASU模块包括物镜L1和反射镜M，通过调控M的位置实现轴向扫描。该技术不仅可以校正主物镜L2引入的光学像差，还可以进行快速的轴向扫描。想要获得更多神经元成像，可以通过调整显微镜的物镜设计来扩大FOV，但是具有大NA和大FOV的物镜通常重量较大，无法快速移动以进行快速轴向扫描，因此大型FOV系统依赖于远程聚焦、SLM和可调电动透镜。双光子显微镜采用长波长激发。美国清醒动物多光子显微镜成像深度
多光子显微镜适用于动物大脑皮层深层（400微米）细胞的形态、生理学研究。离体多光子显微镜Ultima Investigator
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。离体多光子显微镜Ultima Investigator
