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El principio básico para hacer visibles los cambios de fase en la microscopía de contraste de fase es separar la luz que ilumina (de fondo) de la luz dispersada por el espécimen (que constituye los detalles de primer plano) y manipularlas de forma diferente.
La luz iluminadora en forma de anillo (verde) que pasa por el anillo del condensador es enfocada por éste sobre la muestra. Una parte de la luz de iluminación es dispersada por la muestra (amarillo). La luz restante no se ve afectada por la muestra y constituye la luz de fondo (rojo). Al observar una muestra biológica no teñida, la luz dispersada es débil y suele estar desfasada en -90° (debido tanto al grosor típico de las muestras como a la diferencia de índice de refracción entre el tejido biológico y el medio circundante) en relación con la luz de fondo. Esto hace que el primer plano (vector azul) y el fondo (vector rojo) tengan casi la misma intensidad, lo que da lugar a un bajo contraste de la imagen.
En un microscopio de contraste de fase, el contraste de la imagen se incrementa de dos maneras: generando una interferencia constructiva entre los rayos de luz dispersos y de fondo en las regiones del campo de visión que contienen el espécimen, y reduciendo la cantidad de luz de fondo que llega al plano de la imagen. En primer lugar, la luz de fondo se cambia de fase en -90° haciéndola pasar por un anillo de cambio de fase, lo que elimina la diferencia de fase entre los rayos de luz de fondo y los dispersos.
Cuando la luz se enfoca entonces en el plano de la imagen (donde se coloca una cámara o un ocular), este cambio de fase hace que los rayos de luz de fondo y los dispersos que se originan en las regiones del campo de visión que contienen la muestra (es decir, el primer plano) interfieran constructivamente, lo que da lugar a un aumento del brillo de estas zonas en comparación con las regiones que no contienen la muestra. Por último, el fondo se atenúa en un 70-90% mediante un anillo de filtro gris; este método maximiza la cantidad de luz dispersa generada por la luz de iluminación (es decir, de fondo), al tiempo que minimiza la cantidad de luz de iluminación que llega al plano de la imagen. Parte de la luz dispersa que ilumina toda la superficie del filtro será desfasada y atenuada por los anillos, pero en mucha menor medida que la luz de fondo,que sólo ilumina los anillos del filtro de desfase y gris.
Lo anterior describe el contraste de fase negativo. En su forma positiva, la luz de fondo está desplazada de fase en +90°. La luz de fondo estará así desfasada 180° con respecto a la luz dispersa. La luz dispersa se restará entonces de la luz de fondo para formar una imagen con un primer plano más oscuro y un fondo más claro, como se muestra en la primera figura.