細胞膜電位の変化を光量を細かく測定することにより計測する技法です。特殊な蛍光色素（膜電位感受性色素）で組織を染色すると、膜電位変化に応じて蛍光量が僅かに変化します。その蛍光量変化を特殊な高速カメラで捉えるのが膜電位光学計測です。その色素の応答速度は1ミリ秒以下なのでリアルタイムの膜電位計測が可能です。