Tekniikassa on olemassa käsitteet kohde ja tausta. Kohteet ovat tavallisia asioita, jotka on havaittava ja tutkittava (ihmiset, ajoneuvot, eläimet jne.), ja tausta on kaikki muu, mikä ei ole kohteen peitossa näkökentässä (metsä, ruoho, rakennukset jne.).

Kaikkien lämpökuvausjärjestelmien toiminta perustuu kahden asian eli kohteen ja taustan välisten lämpötilaerojen havaitsemiseen ja näiden erojen muuntamiseen näkyväksi kuvaksi. Koska kaikki kappaleet eivät kuumene yhtä paljon, syntyy kuva infrapunajakaumasta. Mitä suurempi ero kohteen IR-säteilyn intensiteetin ja taustan IR-säteilyn intensiteetin välillä on, sitä tarkempi ja kontrastikkaampi lämpökuva on. Nykyiset lämpökuvalaitteet pystyvät havaitsemaan 0,015-0,07 °C:n lämpötilaerot.

Useimmat yökuvauslaitteet, jotka perustuvat joko kuvanvahvistinputkiin tai CMOS/CCD-antureihin, havaitsevat IR-säteilyä aallonpituusalueella 0,78-1 µm, joka on vain murto-osan suurempi kuin ihmissilmän spektriherkkyys. Lämpökamerat toimivat aallonpituusalueella 3-555 µm (MWIR eli keskiaaltoinfrapuna) ja 8-14 µm (LWIR eli pitkäaaltoinfrapuna). Tällä aallonpituuskaistalla maanpinnan ilmakerrokset ovat läpinäkyviä infrapunasäteilylle, ja havaittujen kohteiden, joiden lämpötila on -50 – +50 °C, emissiivisyys on suurin.

Lämpökamera on elektroninen havainnointilaite, joka luo kuvan lämpötilaerosta havaitulla alueella. Jokaisen lämpökameran peruskomponentti on mikrobolometriryhmä (lämpöanturi), jonka jokainen kuvaelementti (pikseli) voi mitata lämpötilaa erittäin tarkasti.

Lämpökameroiden etuna on se, että ne eivät tarvitse ulkoisia valonlähteitä, vaan ne ovat passiivisia järjestelmiä, jotka toimivat hyvin sekä päivällä että pimeässä yöllä. Kuten aiemmin mainittiin, huonot sääolosuhteet, kuten sumu tai sade, eivät aiheuta esteitä lämpökameroille, sillä nämä olosuhteet tekisivät tavallisista yökuvauslaitteista täysin hyödyttömiä.

Kaikkien lämpökuvantamislaitteiden toiminta voidaan kuvata yksinkertaisesti seuraavalla tavalla:

• Lämpökameran objektiivi muotoilee lämpöanturin pinnalle lämpötilakartan kaikesta näkökentässä olevasta (kutsutaan myös lämpötilaerokartaksi).
• Mikroprosessori ja muut elektroniset elementit lukevat tietoja lämpöanturista, käsittelevät niitä ja luovat näytölle muodon, joka edustaa tietojen visuaalista tulkintaa. Tarkkailija katsoo tätä kuvaa okulaarin läpi tai suoraan näytöltä.

Lämpökameroilla on enemmän yhteistä digitaalisten pimeänäkölaitteiden kanssa kuin kuvavahvistetuilla pimeänäkölaitteilla (joita kutsutaan yleisesti analogisiksi järjestelmiksi), ja ne mahdollistavat suuremman määrän käyttäjän määrittämiä asetuksia ja säätöjä.

Esimerkiksi kirkkaus- ja kontrastiasetukset, kuvan väriasetukset, lisätietojen tuominen näkökenttään (nykyinen kellonaika, akun varaustaso, aktiivisten toimintatilojen kuvakkeet jne.), digitaalinen zoom, kuva kuvassa (näyttää zoomatun kuvan havaitusta kohteesta tai sen osasta pienessä lisäikkunassa) ja näytön OFF-toiminnot (käytetään energiansäästöön ja taustavalon valotuksen välttämiseen).

Lämpökuvaus- ja digitaalisissa kiikaritähtäimissä voi olla myös monia toimintoja, jotka voivat auttaa ampujaa, kuten useita valittavissa olevia verkkokalvoja, joissa on eri muotoja ja värejä, käteviä ja nopeita nollaustoimintoja, kuten “yhden laukauksen nollaus” ja “Freeze”-nollaus, automaattiset etäisyyteen liittyvät korjaustoiminnot, useita nollausprofiileja eri kivääreille, sivukallistuksen ja korkeuskulman ilmaisu ja paljon muuta.

Verrattuna analogisiin yökuvauskiikaritähtäimiin digitaalisten ja lämpökuvauslaitteiden verkkokalvo on yleensä “digitaalinen”, eli verkkokalvon kuva asetetaan videonkäsittelyn avulla kohtauskuvan päälle. Kun havaittavan kohteen kuva ja verkkokalvot sijaitsevat samassa tasossa (näyttötasossa), parallaksin kaltaiset vaikutukset poistuvat. Tähtäintä liikutetaan elektronisesti, mikä mahdollistaa analogisissa kiikaritähtäimissä tavallisesti esiintyvien mekaanisten korjauselementtien poistamisen. Siksi nämä mekaaniset korjauselementit, jotka edellyttävät kallista tarkkuusvalmistusta ja kokoonpanoprosessia, voidaan poistaa kokonaan digitaalisista ja lämpölaitteista.

Lämpökuvauslaitteissa voi olla myös sisäänrakennettu videonauhuri kuvien ja videoiden tallentamiseksi havaituista kohteista sekä monia muita lisätoimintoja, kuten langaton tiedonsiirto (valokuvat, videot) (radiokanava, Wi-Fi) ulkoisiin laitteisiin, laitteen kauko-ohjaus (esimerkiksi mobiililaitteella), integrointi laseretäisyysmittarin kanssa (etäisyysmittarin tiedot näkyvät laitteen näytöllä) ja integrointi GPS-antureiden kanssa (geopaikannus) jne.