투명해도 빛에 영향을 준다
시료가 빛을 거의 흡수하지 않더라도 그 안을 지나는 빛의 위상은 달라질 수 있다. 위상차 방식은 이런 변화를 관측 가능한 영상 대비로 바꾼다. 시료를 색소로 실제 착색하지 않아도 구조가 구분되지만, 밝기 차이가 곧 특정 물질의 농도라는 뜻은 아니다.
위상판과 간섭
대표적인 장치에서는 집광기의 환형 조리개를 지난 빛이 시료를 비춘다. 대물렌즈 쪽 위상판은 직접 통과한 성분과 회절된 성분 사이의 상대적인 위상 및 진폭에 영향을 준다. 두 성분이 영상면에서 간섭하면서 시료의 구조가 밝기 차이로 나타난다.
염색하지 않은 세포 관측
위상차 현미경은 살아 있는 배양 세포와 미생물 등의 관측에 유용하다. 관측을 위해 반드시 고정하고 염색해야 하는 것은 아니므로 변화하는 모습을 기록할 수 있다. 다만 위상차라는 영상 대비만으로 특정 단백질이나 화학 성분을 선택적으로 식별한 것은 아니다.
대비와 시료 성질을 구분하기
영상의 밝고 어두운 무늬는 광학 장치가 위상 정보를 변환한 결과이다. 대물렌즈의 위상판과 배경 설정에 따라 대비도 달라질 수 있다. 따라서 다른 조건의 영상에서 밝기만 비교하여 시료의 물질량이 직접 늘거나 줄었다고 결론 내리기 어렵다.