Valomonistinputki käyttää kahta tieteellistä periaatetta vahvistamaan yksittäisen fotonin vaikutusta. Niitä valmistetaan useissa eri kokoonpanoissa valolle herkkiä materiaaleja ja tulevan valon kulmia, jotta saavutetaan suuri vahvistus ja matala kohinasuhde niiden toiminta-alueella ultravioletti-, näkyvillä ja lähi-infrapuna-taajuuksilla. Alun perin reagoivammaksi televisiokamerana kehitettyjä valomonistinputkia löytyy nyt monista sovelluksista.
Puolijohteiden keksinnöllä tyhjiöputket on suurelta osin poistettu elektroniikkateollisuudesta, lukuun ottamatta valomonistinputkea. Tässä laitteessa yksi fotoni kulkee ikkunan tai etulevyn läpi ja vaikuttaa valokatodiin, joka on valosähköisestä materiaalista valmistettu elektrodi. Tämä materiaali absorboi valofotonin energiaa tietyillä taajuuksilla ja lähettää elektroneja tuloksena, jota kutsutaan valosähköiseksi vaikutukseksi.
Näiden emittoitujen elektronien vaikutuksia vahvistetaan käyttämällä toissijaisen emissioperiaatetta. Valokatodista emittoidut elektronit on kohdistettu ensimmäiseen dynodeiksi kutsutusta elektronikerroinlevyjen sarjasta. Kussakin dynodissa tulevat elektronit aiheuttavat lisäelektronien säteilyä. Tapahtuu kaskadivaikutus, ja tuleva fotoni on vahvistettu tai havaittu. Näin ollen nimen “fotomonistin” perustana yksittäisen fotonin hyvin pieni signaali vahvistuu siihen pisteeseen, jossa se on helposti havaittavissa valomonistinputken virran kautta.
Valomonistinputken spektriset vasteet johtuvat pääasiassa kahdesta suunnitteluelementistä. Ikkunatyyppi määrittää, mitä fotoneja voi siirtää laitteeseen. Valokatodimateriaali määrittää vasteen fotonille. Muita rakenteellisia muunnelmia ovat putkipäähän asennetut ikkunat tai sivuikkunat, joissa fotonivirta heijastuu pois valokatodista. Koska vahvistusta tai vahvistusta rajoittaa toissijainen päästöprosessi eikä se kasva kiihdytysjännitteen kasvaessa, kehitettiin monivaiheisia valomonistimia.
Valokatodivaste riippuu tulevan fotonin taajuudesta, ei vastaanotettujen fotonien määrästä. Jos fotonien määrä kasvaa, syntyvä sähkövirta kasvaa, mutta säteilevien elektronien taajuus on vakio kaikissa ikkuna-fotokatodin yhdistelmissä, minkä Albert Einstein käytti todisteena valon hiukkasluonteesta.
Valomonistinputken vahvuus vaihtelee jopa 100 miljoonaa kertaa. Tämä ominaisuus yhdessä hiljaisen tai perusteettoman signaalin kanssa tekee näistä tyhjiöputkista välttämättömiä hyvin pienen määrän fotoneja havaittaessa. Tämä havaitsemisominaisuus on hyödyllinen tähtitieteessä, pimeänäkössä, lääketieteellisessä kuvantamisessa ja muissa käyttötarkoituksissa. Puolijohdemallit ovat käytössä, mutta tyhjiöputkivalomonistin sopii paremmin sellaisten valofotonien havaitsemiseen, jotka eivät ole kollimoituja, mikä tarkoittaa, että valonsäteet eivät kulje rinnakkain.
Valomonistimet kehitettiin ensin televisiokameroiksi, joiden avulla televisiolähetykset pystyivät siirtymään kirkkaalla valolla tehtyjen studiokuvausten ulkopuolelle luonnollisempiin asetuksiin tai raportointiin paikan päällä. Vaikka ne on korvattu varauksella kytketyillä laitteilla (CCD-laitteilla) kyseisessä sovelluksessa, valomonistinputket ovat edelleen laajalti määriteltyjä. Suuri osa valomonistinputken kehitystyöstä tehtiin RCA: ssa Yhdysvalloissa ja entisessä Neuvostoliitossa 20 -luvun jälkipuoliskolla. 21 -luvun alkuvuosikymmeninä suurin osa maailman valomonistinputkista on japanilaisen Hamamatsu Photonics -yhtiön valmistamia.