數位單眼相機

感光元件

相对于传统使用的单反相机，数码单反相机是以电荷耦合元件（Charge-coupled device，CCD）或互补式金属-氧化层-半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）之类感光元件捕捉透过镜头进入机身内的光线，转换为电子讯号以数码方式储存于特定规格的储存媒介中（通常是快闪存储器类的设备），以取代传统单反相机的溴化银盐胶片。
以往DSLR的感光元件都是CCD，但由于CMOS造价便宜，加上耗电量低以及数据传输速度快，与CMOS成像品质已大幅改进不似过去与CCD成像品质有不小的落差，所以目前大部分新型DSLR都以CMOS作为感光元件。

光学原理

相对于一般的消费型数码相机，数码单镜头反光相机具有截然不同的光学特性，例如大部分的DSLR都是倚靠光学取景器（Optical View Finder，OVF）取景，一些较后期的机种则增加被称为“实时取景”（LiveView）的电子观景窗（EVF）功能来作为辅助。OVF内的图像是利用棱镜或其他光学原理自主镜头中的进光折射成相，相比之下一般消费型数码相机的观景窗大都采用数码显示或复眼成像原理来运作。
然而，DSLR（乃至于所有的SLR）依靠反射原理取景而不能使用机背的LCD显示器来呈现画面，是基于原来胶片单反相机的结构背景，因此是一种功能上的限制而非优势。2005年Fujifilm FinePix S3 Pro相机的推出突破了传统，可以用OVF或LCD取景（打开反光镜和快门帘，把SuperCCD上的图像直接显示在机背LCD的方式，又称为“Live Image Mode”或Live View），更加接近一般数码相机的使用，（唯第一代Fujifilm S3pro采用黑白画面），使得普通数码相机和数码单镜头反光相机的界限将越来越模糊。在继Fujifilm、Olympus（加以彩色化改良）之后，Panasonic、Canon、Nikon、Pentax和Sony也都推出了不同形式的Live View，使得DSLR上的Live View功能越来越普及。

镜头

数码单镜头反光相机与大部分的单反相机一样，通常都是采取镜头可拆换（Interchangable Lens）的设计。但要注意的是，这特性只是在绝大部分的此类相机上成立却并非完全成立，因为曾经有少部分使用单反光学原理的数码与银盐相机，其主镜头与机身采一体制造不能拆换的设计。

焦长比

由于大面积的数码感光板制造成本高昂，迄今只有较昂贵的专业级或中高阶数码单镜头反光相机，才会配备尺码相当于35mm银盐胶片的全片幅（24mm x 36mm）感光板。除此之外，与一般的数码相机同样，大部分的数码单镜头反光相机都是采用面积小于35mm胶片的感光板。依照光学原理，由于小面积感光板所需的成像圈较小，因此感光板离成像镜片的距离可以设计得比35mm相机短，较短的成像焦长配合上一样曲光率的镜片，结果是其采像焦长会比35mm来得长，而此焦长增加的倍率，正好就是数码感光板与35mm胶片的对角线长度比一致，称为焦长比。焦长比是只有可以拆换镜头、但却又未使用全尺码感光板的数码单镜头反光相机才需注意的特殊性能数据。
依照此特性，一架搭载尺码相当于先进摄影系统（Advanced Photo System，APS）胶片面积大小感光板的数码单镜头反光相机，其焦长比大约是在1.5:1至1.6:1左右。如果我们在这架数码相机上装置一焦长200mm的镜头（无论是数码单反专用还是传统的胶片单反所用），则它实际上成像的可视角度会相当于200mm x 1.6 = 320mm焦长的镜头安装于35mm胶片相机上的可视角度，这原理可以类推到各种焦长不同的定焦或变焦镜头上。需要留意的是焦长比是根据镜头的可视角度作比较而非其实际焦距，一个APS-C数码单反相机专用的镜头（如佳能的EF-S 18-55mm f3.5-5.6），其所标示的焦距仍为其物理上的实际焦距。

数码单镜头反光相机专用镜头

近年来由于数码单镜头反光相机的普及，有许多光学厂商开始制造一种针对非全尺码感光板数码单镜头反光相机而开发的数码专用可拆换镜头，这种镜头拥有适合数码相机的成像圈大小。其优点是在同样的焦长下，数码专用的镜头无论是体积、重量还是成本都能比传统银盐相机降低，但是，如果我们将数码相机专用的镜头装在传统银盐单反相机上使用的话，会在画面中出现所谓的“暗角”现象，也就是成像圈包含不了整个胶片的范围，因此在胶片的边缘处产生黑色的阴影。严重时，甚至会发生镜片组在近端（广角端）时触碰推挤到感光元件（例如胶片架）造成损坏的可能。
除了成像圈大小的差异外，由于棱镜效应，玻璃与塑胶等组成镜头透光部位的物质，对于各种颜色的光线之折射率有落差，因此容易在镜头处于广角端时，于画面的边缘产生渗色现象（同一个图像不同颜色的部分，因为折射率不同而而在画面边缘处分开），降低画面的锐利度。这种情况虽然在传统相机上也会遇到，但在数码相机上却特别明显，为了解决这问题，通常要配合数码摄影而开发的镜头都会加装特殊的低色散镜片或于镜头上镀上特殊镀膜，这也是数码摄影适用或专用镜头在设计上一个与以往不同的特色。

数码单镜头反光相机产品

从早期以传统单反相机为基础加装数码机背（Digital Camera Backs），一直到今天专门针对数码需求而开发的专用机种，DSLR已经逐渐取代胶片相机在专业领域的市场占有，变成市场主力族群，也因此吸引了越来越多传统相机光学名厂的加入。迄今为止曾推出DSLR产品的厂商或品牌包括了佳能（Canon）、康泰时（Contax）、富士（Fujifilm）、柯达（Kodak）、柯尼卡美能达（Konica Minolta，2003年以前原称Minolta）、尼康（Nikon）、奥林巴斯（Olympus）、宾得（Pentax）、适马（Sigma）等厂商，而原本主要从事消费电子产品制造的大厂松下电器（Panasonic）、索尼（Sony）与三星（Samsung）亦在2005年宣布透过与既有光学厂合作的方式投入DSLR市场，而成为最新的参与厂商。在这些品牌厂商中，柯达虽然是最早将数码感光技术应用在单反相机上的厂商，但由于该公司的产品都是以其他品牌的传统相机为基础进行感光元件部位的改装，因此在定位上与其他的专用机种还是有点不同的。除此之外，中片幅相机专业厂玛米亚（Mamiya-OP）也在2005年底正式加入数码相机市场，推出世界第一款数码中片幅相机Mamiya ZD。2006年，莱卡（Leica）发表Panasonic Lumix DMC-L1的姊妹机DIGILUX 3，是这家光学老厂第一次以自己的品牌投入DSLR市场（在此之前莱卡只曾推出过消费型数码相机产品以及传统单反相机的数码机背）。

其他

除了DSLR外，数码相机市场上也出现过一些经常被误认为是DSLR，但实际上使用不同光学原理的其他可换镜头数码相机，其与传统DSLR光学原理不同，故不可称为DSLR：

数码测距连动相机

爱普生（Epson）在2004年起推出了几款镜头可交换式数码相机，包括R-D1、R-D1s以及R-D1xG，莱卡亦在2006年起推出同类型的M8、M8.2以及M9，在光学原理上这些相机属于测距连动相机（RangeFinder Camera，又称为“复眼相机”或“旁轴相机”），与单反反射成像（Single Lens Reflex）原理不同。

轻便型数码可拆换镜头相机

松下电器（Panasonic）在2008年起推出了几款轻便型可拆换镜头的相机，包括Lumix DMC-G1、Lumix DMC-GH1以及Lumix DMC-GF1，使用一种称为微4/3系统（Micro Four Thrids）的新光学规格。微4/3系统使用由Olympus所主导开发的4/3系统之感光元件标准，但是为求系统重量与体积的缩减，微4/3系统取消了传统SLR一定会有的反射镜机构，直接利用实时显示观景窗（LiveView Finder，LVF）以纯数码式的方式进行对焦。依照严格的定义，不具有反射镜的相机顶多只能以字面解释称为“单眼相机”（指摄影者观察视线与感光元件的视线同轴的相机观测设计），但不能称之为单反反射式相机。虽然其对焦原理类似一般的消费型数码相机，但因为仍采DSLR可拆换镜头的设计，因此在Panasonic自身的产品分类中DMC-G1/GH1仍被列于“数码单反”（デジタル一眼）的产品阵线中。
除了Panasonic之外，Olympus也曾在2008年的Photokina中展示过一架同样使用微4/3系统的原型相机，体积比DMC-G1更小、更类似一般随身消费型数码相机，并在2009年3月份的公司决算会议中证实将推出Olympus半格（half-frame）相机“PEN”系列的后继数码版本，7月1日正式上市，定名为PEN E-P1。
有别于Panasonic及Olympus联手推出的微4/3系统外，Samsung也在2009年的摄影行销协会国际会议暨贸易展（Photo Marketing Association International Convention and Trade Show，通常简称为PMA）时推出一个采用APS-C规格感测器的无反光镜新机，并称为NX系统。NX的整体概念与微4/3系统类似，都是采用无反光镜的设计。Samsung也在2010年一月正式发表NX10，成为正式推出无反光镜相机的厂商。
除了微4/3系统与NX系统外，Sony也在2010年的PMA展中发表将推出无反光镜系统，成为第三家表明进入无反光镜相机的厂商，并在2010年5月正式推出NEX-3/NEX-5机身及全新设计的E接环。Sony的E接环使用与Sansumg相同的APS-C规格感测器，采极小/极简的机身设计，使得NEX-5拥有目前所有可更换镜头的无反光镜相机中，最小的机身体积。