在众多的材料形貌表征和微纳计量技术中,原子力显微镜（AFM）是常用的仪器。作为一种具有纳米级平面分辨率和亚埃米级垂直分辨率的局部探针扫描技术,AFM先进的性能弥补了传统显微测量技术的不足。相比于只能提供二维图像的SEM和TEM,AFM不需要对样品进行任何特殊处理,就可以提供精确的纳米尺度甚至原子分辨率的形貌特征和三维（3D）计量。更重要的是,AFM的测量环境多样（空气、液体）,而且测试样品可以是多种材料。基于这些优势,原子力显微镜已经成为生物医学、化学、纳米观测和制造等众多科研领域不可缺少的工具,被视为进入纳米世界的窗口。可以预见,原子力显微镜的发展和应用具有无限的潜力,将给科学的发展带来巨大的突破。值得注意的是,AFM测量过程中也存在着一些因素影响着AFM成像的精度,如探针驱动器PZT的非线性、系统的温度漂移、探针的测量误差、噪声干扰等。这些缺点和不足使得AFM图像精度不能满足理想要求,扫描得到的图像与样品的真实形貌不完全一致,严重制约了AFM的进一步应用。其中,探针-样品之间的耦合效应和随机出现的噪声是AFM测量过程中最严重且最常出现的问题。因此,如何减小甚至消除原子力显微镜测量过程中误差造成的影响,对AFM图像进行精确重构,一直是AFM微纳计量技术领域的研究热点和重点。通过对AFM测量过程中的探针与样品表面间的耦合效应进行研究分析,提出一种光栅测量模型和针尖盲重建相结合的方法来估计测量过程中原子力显微镜的针尖形状和扫描状态,利用得到的针尖几何及状态信息对失真的AFM图像进行重构;为了减少AFM长时间扫描过程中易出现的系统热漂移和探针-样品耦合效应,将基于压缩感知的欠采样技术应用到AFM的测量过程来减少AFM测量时间,提高测量效率,并通过重构算法提升成像性能;分析AFM图像噪声特性,提出一种非局部均值滤波方法,在尽可能保留图像中边缘结构细节信息的前提下,消除原子力显微镜成像过程中产生的噪声。综上所述,本文从探针-样品耦合效应、AFM压缩感知欠采样重构、AFM成像噪声几个方面,对原子力显微镜像重构技术做了细致的研究,实验结果提升了重构图像的精度,表明了研究方法的有效性和实用价值。