Os primeiros sistemas de câmeras de alta velocidade usavam tubos de câmera alvo de silício de alta sensibilidade como sensores de imagem. A câmera de alta velocidade capturou sinais de imagem escaneando linha por linha com um feixe de elétrons, convertendo-os em sinais de imagem de vídeo, que foram então armazenados em fita magnética ou disco de alta densidade. Devido à alta inércia do tubo da câmera, não era propício para atingir altas taxas de quadros. Além disso, a grave distorção geométrica da imagem foi prejudicial às medições de alta precisão. Com o desenvolvimento da tecnologia microeletrônica, os dispositivos de imagem de estado sólido (dispositivos CCD e CMOS) substituíram os tubos das câmeras como sensores de imagem em sistemas de câmeras de alta velocidade.
Eventos transitórios externos são visualizados na área de imagem do chip da câmera CCD por meio de um sistema óptico. Durante o tempo de integração (T<sub>integração</sub>), os pixels do arranjo CCD geram cargas fotogeradas, cuja quantidade é proporcional à intensidade da luz e ao tempo de exposição. Após a integração, as cargas na área de imagem são transferidas para a área de armazenamento superior ou inferior correspondente (conforme mostrado pelas setas na figura) sob o controle de um relógio vertical, com um tempo de transferência de T<sub>transferência</sub>. Em seguida, as cargas na área de armazenamento são transferidas linha por linha para os registradores de deslocamento de saída sob o controle de um relógio vertical. Dezesseis registradores de deslocamento, sob o controle de um relógio horizontal, completam a saída linha por linha das cargas fotogeradas. O processo de funcionamento de um chip CCD pode ser resumido da seguinte forma: ① A integração termina;
② A carga é transferida da área de imagem para a área de armazenamento;
③ A integração começa na área de imagem;
④ A carga é transferida linha por linha da área de armazenamento para o registrador de deslocamento de saída;
⑤ A carga no registro é emitida (deslocada 64 vezes). A partir da discussão acima, é fácil ver que, para um sensor de imagem CCD, aumentar a taxa de quadros significa, na verdade, aumentar a taxa de leitura da carga fotogerada do CCD. Dada a estrutura e o princípio de funcionamento de um CCD, é fácil imaginar que o aumento da taxa de leitura da carga fotogerada do CCD pode ser alcançado de duas maneiras:
1. Aumentar a frequência do clock do pulso da unidade CCD;
2. Dividir o chip CCD em várias pequenas áreas independentes e usar um método de saída paralela multicanal para ler a carga fotogerada do pixel CCD de cada pequena área.
Embora o aumento da frequência de pulso do drive CCD possa aumentar a taxa de leitura, o resultado é um tempo de integração do CCD mais curto, maior ruído e maior perda de transferência de carga, levando assim a uma diminuição na qualidade da imagem. Nos componentes da câmera Ultra HD de alta velocidade, se o chip CCD for dividido em várias pequenas regiões logicamente definidas, cada uma com o mesmo número de pixels e sua própria porta de saída de carga independente, a taxa de quadros da câmera pode ser aumentada várias vezes sem alterar a frequência de pulso da unidade CCD. Embora este método de saída de carga multicanal particionado possa aumentar os requisitos para os processos de fabricação de chips CCD e a dificuldade de controle da unidade, é sem dúvida uma maneira de melhorar a taxa de leitura do CCD.
