用顯微鏡觀察時，生物樣品經過固定後就會失去了生物的活性，所以活細胞顯微結構的細節就必須要藉助相差顯微鏡或微分幹涉顯微鏡來觀察。
原理：光波的基本屬性包括波長、頻率、振幅和相位等。可見光的波長和頻率的變化表現為顏色的不同，振幅的變化表現為亮暗的區別，而相位的變化卻是人眼不能覺察的。當兩束光通過光學系統時會發生相互幹涉。如果它們的相位相同，幹涉的結果是使光的振幅加大，亮度增強。反之，就會相互抵消而亮度變暗。相差顯微鏡和微分幹涉顯微鏡就是利用這樣的原理增強樣品的反差，從而實現對非染色活細胞的觀察。
【相差顯微鏡】
光線通過不同密度的物質時，在其中的滯留程度也是不同的，穿過密度大的物質時光的滯留時間就越長，穿過密度小的物質時光的滯留時間就越短，所以光程或相位也會發生不同程度的改變。
相差顯微鏡是在普通光學顯微鏡的基礎上，添加兩個元件，即「環狀光闌」和在物鏡後焦面上的「相差板」，從而可將這種光程差或相位差，通過光的幹涉作用，轉換成振幅差，因此，可以分辨出細胞中密度不同的各個區域。
在構造上，相差顯微鏡不同於普通光學顯微鏡的3個特殊之處：
1、環形光闌（annular diaphragm） 位於光源與聚光器之間，作用是使透過聚光器的光線形成空心光錐，焦聚到標本上。
2、相位板（annular phaseplate）在物鏡中加了塗有氟化鎂的相位板，可將直射光或衍射光的相位推遲1/4λ。分為兩種：
（1）A+相板：將直射光推遲1/4λ，兩組光波合軸後光波相加，振幅加大，標本結構比周圍介質更加變亮，形成亮反差（或稱負反差）。
（2）B+相板：將衍射光推遲1/4λ，兩組光線合軸後光波相減，振幅變小，形成暗反差（或稱正反差），結構比周圍介質更加變暗。
3、合軸調節望遠鏡：用於調節環狀光闌的像與相板共軛面完全吻合。
1932年，德國物理學家澤尼克製備出第一臺相差顯微鏡，他因此項發明在1953年獲諾貝爾物理學獎。
【微分幹涉顯微鏡】
1952年，G.Nomarski在相差顯微鏡的基礎上，發明了微分幹涉顯微鏡。微分幹涉顯微鏡是以平面偏振光為光源。光線經稜鏡折射後分成兩束，在不同時間經過樣品的相鄰部位，然後再經過另一稜鏡將這兩束光匯合，從而使樣品中厚度上的微小區別轉化成明暗區別。微分幹涉顯微鏡更適合於研究活細胞。如下圖（微分幹涉光路圖）
微分幹涉光路圖
如果將微分幹涉顯微鏡接上高解析度錄像裝置，就可以用來觀察並記錄活細胞中的顆粒及細胞器的運動。計算機輔助的微分幹涉顯微鏡可以進一步提高樣品的反差並降低圖像的背景「噪音」，使一些常規光學顯微鏡難於觀察的一些顯微結構，如單根微管等也可以在光鏡下分辨出來。其解析度比普通光鏡提高一個數量級，從而為在高解析度條件下研究活細胞提供了必要的工具。應用這一原理製備的錄像增差顯微鏡可以用來直接觀察顆粒物質沿著微管運輸的動態過程。