Khi màn trập mở ra, thay vì lộ sáng trên phim, máy ảnh số sẽ tích tụ ánh sáng trên bề mặt bộ cảm biến hình ảnh – một thiết bị điện tử bán dẫn. Như thế, bộ cảm biến hình ảnh chứa một ô gồm nhiều photosite nhỏ li ti. Khi ống kính đã hội tụ hình ảnh trên bộ cảm biến, một số photosite sẽ ghi nhận
vùng sáng, một số khác ghi nhận vùng tối, và một số khác nữa sẽ ghi nhận mọi cấp độ sáng bất kỳ nằm giữa hai vùng cực độ ấy. Bộ cảm biến hình ảnh thường là những thiết bị nhỏ xíu. Ở đây ta có thể so sánh kích thước những bộ cảm biến 12mm và 18mm của các máy ảnh số loại phổ thông so với một tấm phim 24x36mm truyền thống.
Mỗi photosite sẽ chuyển lượng sáng nhận được thành một điện tích. Lượng sáng càng mạnh, lượng điện tích càng cao. Khi màn trập đóng lại và việc lộ sáng hoàn tất, những bộ cảm biến này sẽ “nhớ” các dạng điện tích đã ghi nhận. các cấp độ điện tích khác nhau sau đó sẽ được chuyển thành những con số để có thể dùng tái tạo lại hình ảnh.
Hai hình minh họa sau đây sẽ cho thấy cách thu giữ hình ảnh của bộ cảm biến hình ảnh:
Khi một hình ảnh được hội tụ qua thấu kính của máy ảnh (hay máy quét), hình ảnh sẽ nằm trên bề mặt của bộ cảm biến. Các lượng sáng cấp độ khác nhau sẽ tác động vào các photosite và giải phóng những lượng electron để thu giữ và lưu trữ. Số electron giải phóng ra từ bất kỳ photosite nào sẽ tương ứng với lượng ánh sáng tác động vào.
Khi hoàn tất thời gian lộ sáng, bộ cảm biến sẽ trông giống như một bàn cờ với quân cờ (electron) khác nhau chồng lên những ô cờ (photosite). Khi hình ảnh được đọc từ bộ cảm biến, các electron đã lưu giữ được sẽ chuyển thành một chuỗi điện tích tương đương (analog) hay điện tích thực và những điện tích này sau đó sẽ được hoán đổi sang các giá trị số (digital) bằng một bộ phận chuyển đổi từ thực sang số (analog-to-digital converter hay gọi tắt là A-D converter).
Quét đan xen và quét trình tự
Một khi bộ cảm biến đã thu giữ được hình ảnh, hình ảnh ấy sẽ được một thiết bị đọc, chuyển sang dạng số, rồi lưu trữ. Các điện tích lưu trên bề mặt bộ cảm biến không được đọc toàn bộ một lần mà đọc lần lượt từng dãy photosite một. Một thiết bị đọc sẽ quét trên bề mặt bộ cảm biến theo hai cách: quét đan xen (interlaced scan) hoặc quét tuần tự (progressive scan).
Với bộ cảm biến thiết kế theo kiểu quét đan xen, hình ảnh trước hết sẽ được đọc theo các dãy photosite số lẻ, sau đó mới đọc theo các dãy số chẵn.
Với bộ cảm biến thiết kế theo kiểu quét tuần tự, các dãy photosite liên tục nhau sẽ được đọc lần lượt theo đúng trình tự.