这种测光方式首次出现在1992年推出的尼康F90，这是一种扩展了的矩阵式测光方式。原来的矩阵式测光方式只能测取两维摄影画面的参数，而3D矩阵式测光方式能将拍摄距离考虑在内，因此称为3D(即三维之含义)矩阵式测光。为了配合新型的十字交叉型AF系统，尼康再次将原来的五分区变成了八分区，即将原来中间的一个区细分成4个小区，其中最中心的三个区完全与新开发的CAM246 AF模块的AF区域相吻合，从而新型的3D矩阵式测光系统第一次与AF系统相联系。这种测光方式只有与新型的 D型AF镜头配合使用时才有效，因为只有D型镜头能向机身提供拍摄距离。

3D矩阵式测光系统根据下列四类数据来决定曝光量：

第一组：从八段测光元件测得的亮度数据，并以各种方式组合；

第二组：从八段测光元件测得的反差数据，并以各种方式组合；

第三组：从D型AF镜头传递来的聚焦距离数据；

第四组：从机身AF系统测量得到的散焦量。

显然，第一和第二组数据是必不可缺的，这也是尼康最早设计矩阵式测光方式所依据的数据，因此这两组数据构成了矩阵式测光的基础。

3D矩阵式测光方式比矩阵式测光多了第三和四组数据。引入这两组数据是基于这样的考虑。在正常的摄影中，被摄主体大多是在构图画面的中央部分，所以八分区的中央大区的测光数据是很灵敏和对曝光是起决定性的作用，特别是被摄体处于逆光时，只要周围测光元件的测光值与中央测光元件的测光值相差较大时，测光系统就能判断出此被摄主体是逆光的，为了保证主体的曝光准确，就要增加曝光或者启动闪光灯进行填充式闪光。但在近摄时，过细的分区会由于高放大倍率而造成误差，从而测光不准，因此引入了第三组数据，这组数据决定了测光分析系统对各段测光元件的侧重性，如当主体在远处时，使用八个段的数据进行分析；当主体很近时(即在近距离摄影时)，则偏向于中央的大分区(该分区约占全画面13%)，相当于局部测光。

第四组数据则用来确定被摄主体是否在画面中央，由于CAM246自动聚焦模块的范围较大，横向达7mm，所以可检测出中央部分的散焦量。例如，检测到的散焦量不是太大，相机内的计算机就判断出主体在画面中央，因此对中央一段的测光值加重考虑；如果散焦量很大(离焦)，计算机判断出主体不在画面中央 (如先锁定焦点，再偏离中心进行重新构图)， 所以根据周围几段的亮度和反差值加权着重考虑。

在使用焦点锁定时，如果测光系统测出整个画面是主体与背景的反差很大 (如主体处于强烈逆光或背景很暗而主体被完全照明等)，在最终决定曝光量时，还考虑了在重新构图前那一时刻的测光值，以减少误差。

上述方法也适合用电子焦点检测装置进行手动聚焦。而且还采用了模糊逻辑算法来进行平滑的数据处理，以避免在连续拍摄中曝光量的突然变化而造成曝光误差。