本发明公开了一种应用于荧光寿命成像的非均匀时间数字转换器，包括：非均匀TDC电路基于延时线的原理，通过延时单元量化输入的start信号和stop信号之间的时间间隔，输出一组温度计码t；非均匀TDC电路实现的关键是延时单元延时值的分配，具体为：将荧光信号出现概率为0.84的这部分等概率划分为4部分，每一部分对应一个时间大小，之后将4部分都各自均分为3小部分，每一小部分对应为一个延时单元的延时值，共得到12个延时单元的延时值；且非均匀TDC电路中采用了压控差分反相器作为延时单元，差分的结构使延时单元具有抗干扰能力，延时值压控可调的特性使得非均匀TDC电路采用一种结构的延时单元就能实现所需延时大小。