W inżynierii istnieją pojęcia obiektu i tła. Obiekty to zwykłe rzeczy, które muszą zostać wykryte i zbadane (ludzie, pojazdy, zwierzęta itp.), tło to wszystko, co nie jest objęte obiektem w polu widzenia (las, trawa, budynki itp.).

Działanie wszystkich systemów termowizyjnych opiera się na postrzeganiu różnic temperatury pomiędzy dwoma przedmiotami, tj. obiektem na tle tła, oraz na przekształceniu tej różnicy w obraz widzialny. Ponieważ wszystkie ciała nie są nagrzewane jednakowo, pojawia się obraz rozkładu podczerwieni. Im większa jest różnica między natężeniem promieniowania podczerwonego obiektu a natężeniem promieniowania podczerwonego tła, tym obraz termiczny jest bardziej rozdzielczy i ma lepszy kontrast. Współczesne urządzenia termowizyjne są w stanie wykryć różnice temperatur rzędu 0,015-0,07°C.

Większość noktowizorów opartych na lampach wzmacniających obraz lub czujnikach CMOS/CCD wykrywa promieniowanie podczerwone w zakresie długości fali 0,78-1 µm, co tylko w niewielkim stopniu przewyższa czułość widmową ludzkiego oka. Urządzenia termowizyjne działają w zakresie długości fal 3-555 µm (MWIR lub podczerwień średniofalowa) i 8-14 µm (LWIR lub podczerwień długofalowa). W tym zakresie długości fali przypowierzchniowe warstwy atmosfery są przezroczyste dla promieniowania podczerwonego, a emisyjność obserwowanych obiektów o temperaturze -50 – +50°C jest najwyższa.

Kamera termowizyjna jest elektronicznym urządzeniem obserwacyjnym, tworzącym obraz różnicy temperatur w obserwowanym obszarze przestrzeni. Podstawowym elementem każdej kamery termowizyjnej jest matryca mikrobolometryczna (detektor termiczny), a każdy element obrazowy tej matrycy (piksel) może mierzyć temperaturę z dużą dokładnością.

Zaletą termowizorów jest to, że nie wymagają one zewnętrznych źródeł oświetlenia, są systemami pasywnymi, które sprawdzają się zarówno w dzień, jak i w ciemnościach nocy. Jak wspomniano wcześniej, złe warunki pogodowe, takie jak mgła czy deszcz, nie stanowią przeszkody dla kamery termowizyjnej, ponieważ w takich warunkach zwykłe noktowizory byłyby całkowicie bezużyteczne.

Działanie wszystkich urządzeń termowizyjnych można w prosty sposób opisać w następujący sposób:

• Obiektyw kamery termowizyjnej tworzy mapę temperatury wszystkiego, co znajduje się w polu widzenia, na powierzchni czujnika termicznego (zwaną również mapą różnicy temperatur).
• Mikroprocesor i inne elementy elektroniczne odczytują dane z czujnika temperatury, przetwarzają je i tworzą kształt na wyświetlaczu, który przedstawia wizualną interpretację danych. Obraz ten jest następnie oglądany przez obserwatora przez okular lub bezpośrednio na ekranie.

Termowizory mają więcej wspólnego z cyfrowymi urządzeniami noktowizyjnymi niż z urządzeniami noktowizyjnymi ze wzmacniaczem obrazu (powszechnie określanymi jako systemy analogowe) i umożliwiają większą liczbę ustawień i regulacji wprowadzanych przez użytkownika.

Na przykład ustawienia jasności i kontrastu, ustawienia kolorów obrazu, wprowadzanie informacji pomocniczych w polu widzenia (aktualny czas, poziom naładowania baterii, ikony aktywnych trybów itp.), zoom cyfrowy, picture-in-picture (wyświetlanie powiększonego obrazu obserwowanego obiektu lub jego części w dodatkowym małym oknie) oraz funkcje wyłączenia wyświetlacza (stosowane w celu oszczędzania energii i unikania podświetlenia).

Lunety termowizyjne i cyfrowe mogą być wyposażone w wiele funkcji, które mogą pomóc strzelcowi, takich jak wiele różnych siatek o różnych kształtach i kolorach, wygodne i szybkie funkcje zerowania, takie jak “one-shot zeroing” i “Freeze” zeroing, funkcje automatycznej korekty odległości, wiele profili zerowania dla różnych karabinów, wskazanie nachylenia bocznego, kąta elewacji i wiele innych.

W porównaniu z analogowymi lunetami noktowizyjnymi, siatka w urządzeniach cyfrowych i termowizyjnych jest zazwyczaj “cyfrowa”, tzn. obraz siatki jest nakładany na obraz sceny w procesie przetwarzania obrazu wideo. Dzięki temu, że obraz obserwowanego obiektu i siatki znajdują się w tej samej płaszczyźnie (płaszczyźnie wyświetlania), eliminowane są efekty takie jak paralaksa. Ruch siatki odbywa się elektronicznie, co pozwala na usunięcie mechanicznych elementów korekcyjnych, które zwykle występują w lunetach analogowych. Dlatego mechaniczne elementy korekcyjne, które wymagają kosztownego procesu precyzyjnej produkcji i montażu, mogą być całkowicie usunięte z urządzeń cyfrowych i termicznych.

Termowizory mogą mieć również wbudowane rejestratory wideo do przechwytywania obrazów i filmów obserwowanych obiektów oraz wiele innych funkcji pomocniczych, takich jak bezprzewodowa transmisja danych (zdjęć, filmów) (kanał radiowy, Wi-Fi) do urządzeń zewnętrznych, zdalne sterowanie urządzeniem (np. za pomocą urządzenia mobilnego), integracja z dalmierzem laserowym (dane z dalmierza pojawiają się na ekranie urządzenia) oraz integracja z czujnikami GPS (geopozycjonowanie) itp.