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Das Grundprinzip, um bei der Phasenkontrastmikroskopie Phasenveränderungen sichtbar zu machen, besteht darin, das beleuchtende Licht (Hintergrundlicht) vom Streulicht der Probe (das die Vordergrunddetails ausmacht) zu trennen und diese unterschiedlich zu manipulieren.
Das ringförmige Beleuchtungslicht (grün), das den Kondensorring passiert, wird vom Kondensor auf die Probe fokussiert. Ein Teil des Beleuchtungslichts wird vom Präparat gestreut (gelb). Das restliche Licht wird von der Probe nicht beeinflusst und bildet das Hintergrundlicht (rot). Bei der Betrachtung einer ungefärbten biologischen Probe ist das Streulicht schwach und typischerweise um -90° phasenverschoben (sowohl aufgrund der typischen Dicke von Proben als auch des Brechungsindexunterschieds zwischen biologischem Gewebe und dem umgebenden Medium) relativ zum Hintergrundlicht. Dies führt dazu, dass der Vordergrund (blauer Vektor) und der Hintergrund (roter Vektor) nahezu die gleiche Intensität haben, was zu einem geringen Bildkontrast führt.
In einem Phasenkontrastmikroskop wird der Bildkontrast auf zwei Arten erhöht: durch die Erzeugung konstruktiver Interferenz zwischen gestreuten und Hintergrundlichtstrahlen in Bereichen des Sichtfeldes, die die Probe enthalten, und durch die Reduzierung der Menge an Hintergrundlicht, die die Bildebene erreicht. Zunächst wird das Hintergrundlicht um -90° phasenverschoben, indem es durch einen Phasenschiebering geleitet wird, der die Phasendifferenz zwischen Hintergrund- und Streulichtstrahlen eliminiert.
Wenn das Licht dann auf die Bildebene fokussiert wird (wo eine Kamera oder ein Okular platziert ist), bewirkt diese Phasenverschiebung, dass Hintergrund- und Streulichtstrahlen, die aus Regionen des Sichtfeldes stammen, die die Probe enthalten (d.h., Die Phasenverschiebung bewirkt, dass Hintergrund- und Streulichtstrahlen, die aus Bereichen des Sichtfeldes stammen, die die Probe enthalten (d. h. der Vordergrund), konstruktiv interferieren, was zu einer Erhöhung der Helligkeit dieser Bereiche im Vergleich zu Bereichen führt, die die Probe nicht enthalten. Schließlich wird der Hintergrund durch einen Graufilterring um ~70-90% abgedunkelt; diese Methode maximiert die Menge an Streulicht, die durch das Beleuchtungslicht (d.h. Hintergrundlicht) erzeugt wird, während die Menge an Beleuchtungslicht, die die Bildebene erreicht, minimiert wird. Ein Teil des Streulichts, das die gesamte Oberfläche des Filters beleuchtet, wird durch die Ringe phasenverschoben und abgeblendet, aber in einem viel geringeren Ausmaß als das Hintergrundlicht, das nur die Ringe des Phasenverschiebungs- und Graufilters beleuchtet.
Das oben beschriebene beschreibt den negativen Phasenkontrast. In seiner positiven Form ist das Hintergrundlicht stattdessen um +90° phasenverschoben. Das Hintergrundlicht ist also um 180° phasenverschoben gegenüber dem Streulicht. Das Streulicht wird dann vom Hintergrundlicht subtrahiert und es entsteht ein Bild mit dunklerem Vordergrund und hellerem Hintergrund, wie in der ersten Abbildung gezeigt.