TCSPC（時間相關單光子計數技術）的工作原理是利用高精度計時器記錄單光子事件的出現時間，通過探測微小的光子信號甚至單個光子來分析時間相關的物理、化學和生物學過程。
TCSPC技術使用一個同步信號源驅動雷射器，使出射光脈衝照射樣品池，然後通過光子探測裝置（通常是光電倍增管PMT）探測螢光信號。每一個光子計數信號會在數據採集器中落入一個對應的時間視窗，經過一段時間的統計疊加，得到螢光壽命曲線。在這個過程中，不同的時間通道累積的光子數目不同，將光子數對時間作圖，經過平滑處理後得到螢光衰減曲線。
TCSPC技術基於的一個基本原理是，在記錄低強度、高重複頻率的脈衝信號時，由於光強很低，在一個信號周期內探測到一個光子的機率遠遠小於1。因此，當探測到一個光子時，可以測得與探測器脈衝對應的時間，並記錄下來。通過對多個雷射脈衝周期內採集到的光子信號進行累積，可以在時域上形成光子計數峰，同時剔除隨機分布在各個時刻、計數值較少的暗計數。
此外，TCSPC技術還可以用於直接飛行時間測量（dToF），通過測量光束髮射和接收的時間差來計算光的飛行時間，進而計算距離。在dToF套用中，TCSPC技術能有效去除器件固有噪聲和環境光噪聲，提高系統的測距精度、測距距離和抗干擾能力。