膜电位成像通过使用荧光电压敏感染料或基因编码电压指示蛋白（GEVIs）实时监测细胞膜电位的动态变化。细胞膜电位的去极化或复极化会导致探针荧光强度或光谱特征的快速改变，从而能够以光学方式捕捉毫秒级别的电信号。该方法为非侵入式地观察单个细胞乃至神经网络的电活动提供了重要手段。

膜电位成像实验通常依托宽场荧光显微、共聚焦显微或高速成像平台，需要在空间上实现单细胞或亚细胞水平的精确分辨，同时在时间上捕捉快速而微弱的电信号变化。因此，该技术对成像系统提出了超高时间分辨率与高信噪比的要求。