時間相關單光子計數技術所基于的原理是：在記錄低強度、高重復頻率的脈沖信號時，由于光強很低，以至于在一個信號周期內探測到一個光子的概率遠遠小于1。因此，沒有必要考慮在一個信號周期內探測到幾個光子的情形。只要記錄這些光子，測量它們在信號周期內的時間，并建立光子時間分布的直方圖就足夠了。

TCSPC技術的基本原理如下圖所示

探測器的輸出信號是對應于探測到單個光子的隨機分布的脈沖序列。當探測到一個光子時，就可以在信號周期內測得與探測器脈沖對應的時間。每記錄一次這樣的事件（光子），就在對應的存儲單元（Bin）中加1，該存儲單元的地址與探測時間對應。在記錄很多光子之后，就可以根據存儲器中各個單元的光子數，得到探測時間的分布，即光脈沖的波形。

    TCSPC可以高精度的測量出每個光子脈沖的時間，因此光子計數實驗中的帶寬僅僅受到探測器輸出脈沖的TTS (Transit time spread)限制，而不受單電子脈沖（Single electron response, SER）寬度的限制。由于探測器單光子脈沖的TTS通常比其SER要窄一個數量級，因此對特定的他測器，TCSPC技術可以獲得比任何一種模擬記錄技術更高的時間分辨率。

    TCSPC實驗的有效分辨率可以通過儀器響應函數IRF來表征。

所以IRF會受激光器脈沖、探測器的時間響應、TCSPC的時間抖動等影響。

ALPHALAS的皮秒半導體激光器脈寬一般是40-70ps

SPAD的時間響應在40-350ps之間

Swabian Time Tagger時間相關單光子計數器的時間抖動在4-42 ps之間。

記錄光子分布的時間通道的寬度最小可以達到1ps。利用小的時間通道寬度，并結合大量的時間通道，可以對信號波形進行充分的采樣。因此利用解卷積技術，可以測量比IRF寬度更短的熒光壽命。