用显微镜观察时，生物样品经过固定后就会失去了生物的活性，所以活细胞显微结构的细节就必须要借助相差显微镜或微分干涉显微镜来观察。
原理：光波的基本属性包括波长、频率、振幅和相位等。可见光的波长和频率的变化表现为颜色的不同，振幅的变化表现为亮暗的区别，而相位的变化却是人眼不能觉察的。当两束光通过光学系统时会发生相互干涉。如果它们的相位相同，干涉的结果是使光的振幅加大，亮度增强。反之，就会相互抵消而亮度变暗。相差显微镜和微分干涉显微镜就是利用这样的原理增强样品的反差，从而实现对非染色活细胞的观察。
光线通过不同密度的物质时，在其中的滞留程度也是不同的，穿过密度大的物质时光的滞留时间就越长，穿过密度小的物质时光的滞留时间就越短，所以光程或相位也会发生不同程度的改变。
相差显微镜是在普通光学显微镜的基础上，添加两个元件，即“环状光阑”和在物镜后焦面上的“相差板”，从而可将这种光程差或相位差，通过光的干涉作用，转换成振幅差，因此，可以分辨出细胞中密度不同的各个区域。
在构造上，相差显微镜不同于普通光学显微镜的3个特殊之处：
1、环形光阑（annulardiaphragm）位于光源与聚光器之间，作用是使透过聚光器的光线形成空心光锥，焦聚到标本上。
2、相位板（annularphaseplate）在物镜中加了涂有氟化镁的相位板，可将直射光或衍射光的相位推迟1/4λ。分为两种：
（1）A+相板：将直射光推迟1/4λ，两组光波合轴后光波相加，振幅加大，标本结构比周围介质更加变亮，形成亮反差（或称负反差）。
（2）B+相板：将衍射光推迟1/4λ，两组光线合轴后光波相减，振幅变小，形成暗反差（或称正反差），结构比周围介质更加变暗。
3、合轴调节望远镜：用于调节环状光阑的像与相板共轭面完全吻合。
年，德国物理学家泽尼克制备出第一台相差显微镜，他因此项发明在年获诺贝尔物理学奖。
年，G.Nomarski在相差显微镜的基础上，发明了微分干涉显微镜。微分干涉显微镜是以平面偏振光为光源。光线经棱镜折射后分成两束，在不同时间经过样品的相邻部位，然后再经过另一棱镜将这两束光汇合，从而使样品中厚度上的微小区别转化成明暗区别。微分干涉显微镜更适合于研究活细胞。如下图（微分干涉光路图）
微分干涉光路图
如果将微分干涉显微镜接上高分辨率录像装置，就可以用来观察并记录活细胞中的颗粒及细胞器的运动。计算机辅助的微分干涉显微镜可以进一步提高样品的反差并降低图像的背景“噪音”，使一些常规光学显微镜难于观察的一些显微结构，如单根微管等也可以在光镜下分辨出来。其分辨率比普通光镜提高一个数量级，从而为在高分辨率条件下研究活细胞提供了必要的工具。应用这一原理制备的录像增差显微镜可以用来直接观察颗粒物质沿着微管运输的动态过程。