本实用新型公开了一种基于双光子激发的非线性结构光成像装置，其包括飞秒激光器，其的出射方向上设有第一反射镜，第一反射镜的出射方向上设有第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜的一个出射方向上沿光束前进方向依次设有第一相位光栅和第二反射镜，第一偏振分光棱镜的另一个出射方向上设有第三反射镜，第三反射镜的出射方向上沿光束前进方向依次设有第二相位光栅和第二偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜的两个入射方向分别为第二相位光栅的出射方向和第二反射镜的出射方向，第二偏振分光棱镜的出射方向上沿光束前进方向依次设有样品台和相机；第一相位光栅和第二相位光栅的相位相互垂直。本实用新型能够将分辨率提高两倍以上，并加深成像深度。