Los primeros sistemas de cámaras de alta velocidad utilizaban tubos de cámara de objetivo de silicio de alta sensibilidad como sensores de imagen. La cámara de alta velocidad capturó señales de imágenes escaneando línea por línea con un haz de electrones, convirtiéndolas en señales de imágenes de video, que luego se almacenaron en una cinta o disco magnético de alta densidad. Debido a la alta inercia del tubo de la cámara, no era propicio para lograr altas velocidades de fotogramas. Además, la grave distorsión geométrica de la imagen era perjudicial para las mediciones de alta precisión. Con el desarrollo de la tecnología microelectrónica, los dispositivos de imágenes de estado sólido (dispositivos CCD y CMOS) han reemplazado los tubos de las cámaras como sensores de imágenes en los sistemas de cámaras de alta velocidad.
Los eventos transitorios externos se reflejan en el área de imágenes del chip de la cámara CCD a través de un sistema óptico. Durante el tiempo de integración (T<sub>integración</sub>), los píxeles de la matriz CCD generan cargas fotogeneradas, cuya cantidad es proporcional a la intensidad de la luz y al tiempo de exposición. Después de la integración, las cargas en el área de imágenes se transfieren al área de almacenamiento superior o inferior correspondiente (como lo muestran las flechas en la figura) bajo el control de un reloj vertical, con un tiempo de transferencia de T<sub>transfer</sub>. Luego, las cargas en el área de almacenamiento se transfieren línea por línea a los registros de desplazamiento de salida bajo el control de un reloj vertical. Dieciséis registros de desplazamiento, bajo el control de un reloj horizontal, completan la salida línea por línea de cargas fotogeneradas. El proceso de funcionamiento de un chip CCD se puede resumir de la siguiente manera: ① Finaliza la integración;
② La carga se transfiere desde el área de imágenes al área de almacenamiento;
③ La integración comienza en el área de imágenes;
④ La carga se transfiere fila por fila desde el área de almacenamiento al registro de desplazamiento de salida;
⑤ Se emite la carga en el registro (desplazada 64 veces). De la discusión anterior, es fácil ver que para un sensor de imagen CCD, aumentar la velocidad de fotogramas en realidad significa aumentar la velocidad de lectura de la carga fotogenerada del CCD. Dada la estructura y el principio de funcionamiento de un CCD, es fácil imaginar que aumentar la velocidad de lectura de la carga fotogenerada del CCD se puede lograr de dos maneras:
1. Aumentar la frecuencia de reloj del pulso del controlador CCD;
2. Dividir el chip CCD en varias áreas pequeñas independientes y utilizar un método de salida paralela multicanal para leer la carga fotogenerada del píxel CCD de cada área pequeña.
Si bien aumentar la frecuencia de pulso del controlador CCD puede aumentar la velocidad de lectura, el resultado es un tiempo de integración del CCD más corto, un mayor ruido y una mayor pérdida de transferencia de carga, lo que conduce a una disminución en la calidad de la imagen. En los componentes de la cámara de alta velocidad Ultra HD, si el chip CCD se divide en varias regiones pequeñas definidas lógicamente, cada una con el mismo número de píxeles y su propio puerto de salida de carga independiente, la velocidad de fotogramas de la cámara se puede aumentar varias veces sin cambiar la frecuencia de pulso de la unidad CCD. Si bien este método de salida de carga multicanal y particionado puede aumentar los requisitos de los procesos de fabricación de chips CCD y la dificultad del control de la unidad, es sin duda una forma de mejorar la velocidad de lectura del CCD.
