Le système d'imagerie de Luna-3, le Yenisey-2, se composait d'une caméra à double lentille, d'un système automatique de déroulement du film et d'un scanner. Une des deux lentilles possédait une focale de 200 mm pour une ouverture de f/5.6, tandis que la deuxième avait une focale de 500 mm pour une ouverture de f/9.5. La caméra emportait 40 prises d'un film isochrome 35 mm résistant à la température et aux radiations. L'objectif de 200 mm pouvait cadrer la totalité du disque lunaire tandis que l'objectif de 500 mm pouvait se concentrer sur une région plus petite. Le pointage de la caméra était réalisé par la rotation de la plate-forme. Une cellule photo-électrique permettait à la sonde de repérer la Lune et d'orienter l'objectif vers elle. La détection de la Lune commandait l'ouverture de l'obturateur et le début de la prise de vues. Une fois la série de clichés achevée, la pellicule était transmise à un laboratoire photo embarqué où elle était successivement développée, fixée et séchée. À la suite d'ordres transmis depuis la Terre, la pellicule était transmise vers le scanner où elle était projetée sur un multiplicateur photo-électrique au moyen d'un tube cathodique. Le point lumineux défilait le long du négatif, le multiplicateur convertissant l'intensité lumineuse traversant le négatif en signal électrique, signal qui était ensuite transmis vers la Terre. Une prise pouvait ainsi être scannée avec une résolution de 1 000 lignes. La transmission s'effectuait à un débit réduit à grande distance de la Terre et à grand débit à courte distance.