在变像管中，当外来辐射图像成像于光电阴极时，光电阴极发射电子，电子经加速或经电子透镜聚焦并加速后，轰击荧光屏使之产生较亮的可见图像。

1934年，G.霍尔斯特等人制出第一只红外变像管。工作时，在平面阴极与平面荧光屏之间加高电压，阴极与荧光屏距离很近。这是一种近贴聚焦系统。此后又出现静电聚焦和电磁聚焦的成像系统。红外变像管通常采用对红外敏感的半透明银氧铯光电阴极。用红外变像管可以制成红外望远镜。

人眼只能感受范围很窄的电磁辐射（可见光）。一些物质可将紫外线、X射线、γ射线等转换成可见光，可称为转换物质。应用变像管原理，在阴极基底上制作转换物质层和光电阴极，就能制成对某种射线敏感的变像管。例如，转换材料是X射线荧光屏或CsI(Na)层，可制成X射线增强管。如果转换材料是闪烁晶体，可制成γ射线变像管。这种方法还可以推广应用于α射线、β射线和中子辐射。例如，利用中子源和中子变像管可以检查大型金属铸件中的缺陷。