本论文针对目前多维非线性光学成像存在的问题，提出了基于非线性效应的多维光学表征方法，自主搭建成像系统和编写控制程序，完成了高分辨TPEF/SHG成像、高光谱SRS成像以及基于TCSPC的TP-FLIM成像四种模态的光学显微成像系统，以同时获取不同生物分子的多层参量信息，并提出一种基于高斯/洛伦兹模板匹配的降噪方法提升高噪声非线性光学成像的信噪比，最终利用该系统对不同临床病理组织进行了多维光学特征提取、量化和分析以辅助临床病理诊断。