尼康D3X搭载了一枚有效像素高达2450万的全画幅CMOS传感器，同时相机支持全像素和5:4画幅2040万像素下约每秒5张的连拍速度，以及DX画幅1050像素下约每秒7张的高速连拍。D3X所用的这块CMOS还优化了像素特性，通过保留更多从每个像素收到的光线，提供了一个更高的S/N比率和更宽的动态范围，从而降低高光缺失和阴影缺失，以及确保噪点最小化，色调重现更真实。
Nikon D3X
1/30s f/2.8 at 52.0mm ISO400
Nikon D3X Nikkor AF-S 400mm f/2.8G ED VR
1/500s f/5.0 at 400mm ISO100
Nikon D3X
1/320s f/9.0 at 70.0mm ISO100
Nikon D3X
1/320s f/9.0 at 70mm ISO100
Nikon NIKON D3X Nikkor AF-S 400mm f/2.8G ED VR
1/250s f/8.0 at 400.0mm ISO100
尼康D3X的感光度范围在标准设置下为ISO100——ISO1600，可适应在影楼内拍摄时的基本设置。它实现了在ISO 1600下和在低感光度设置下拍摄出更低噪点的超高品质画面。另外，感光度范围可增加两级（相当于 ISO 6400），可降低一级（相当于 ISO 50），这使得拍摄更多样性。同样也可使用自动感光度控制。
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