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O princípio básico para tornar as mudanças de fase visíveis na microscopia de contraste de fase é separar a luz iluminante (de fundo) da luz espalhada pela amostra (que compõe os detalhes do primeiro plano) e manipulá-los de forma diferente.
A luz iluminante em forma de anel (verde) que passa pelo anel condensador é focada na amostra pelo condensador. Parte da luz iluminante é dispersa pelo espécime (amarelo). A luz restante não é afectada pelo espécime e forma a luz de fundo (vermelha). Quando se observa uma amostra biológica não manchada, a luz espalhada é fraca e tipicamente desfasada em -90° (devido tanto à espessura típica das amostras como à diferença do índice de refracção entre o tecido biológico e o meio circundante) em relação à luz de fundo. Isto leva a que o primeiro plano (vector azul) e o fundo (vector vermelho) tenham quase a mesma intensidade, resultando num baixo contraste da imagem.
Num microscópio de contraste de fase, o contraste da imagem é aumentado de duas maneiras: gerando uma interferência construtiva entre os raios de luz espalhados e de fundo em regiões do campo de visão que contêm a amostra, e reduzindo a quantidade de luz de fundo que atinge o plano da imagem. Primeiro, a luz de fundo é desfasada em -90° passando-a por um anel de desfasamento, o que elimina a diferença de fase entre o fundo e os raios de luz dispersos.
Quando a luz é então focada no plano da imagem (onde é colocada uma câmara ou ocular), este deslocamento de fase causa fundo e raios de luz dispersos provenientes de regiões do campo de visão que contêm a amostra (ou seja o primeiro plano) para interferir construtivamente, resultando num aumento do brilho destas áreas em comparação com as regiões que não contêm a amostra. Finalmente, o plano de fundo é diminuído ~70-90% por um anel de filtro cinzento; este método maximiza a quantidade de luz dispersa gerada pela iluminação (ou seja, plano de fundo), ao mesmo tempo que minimiza a quantidade de luz de iluminação que atinge o plano de imagem. Parte da luz dispersa que ilumina toda a superfície do filtro será desfasada e escurecida pelos anéis, mas em muito menor extensão do que a luz de fundo, que apenas ilumina os anéis filtrantes de mudança de fase e cinzentos.
O acima descrito descreve o contraste de fase negativo. Na sua forma positiva, a luz de fundo é, em vez disso, deslocada de fase em +90°. A luz de fundo ficará assim 180° fora de fase em relação à luz dispersa. A luz dispersa será então subtraída da luz de fundo para formar uma imagem com um primeiro plano mais escuro e um fundo mais claro, como se mostra na primeira figura.