原子力显微镜（Atomic Force Microscopy,AFM）在各相环境中对不同材料成像时具有的高分辨率、非破坏性、灵活性以及多功能性,使其成为纳米级表征和测量的最流行的科学仪器之一,广泛应用于物理、化学、材料、生物、医学、纳米科学等领域,并服务于半导体、航天、制造、能源等行业。尽管AFM具有广泛的适用性,但传统AFM的高分辨率成像通常需要花费几分钟的时间,严重制约了AFM的成像效率。本文针对传统AFM在扫描速度、图像质量以及全方位表征等方面的局限性,从建立AFM成像系统模型入手,优化设计了高速Z向定位器,构建了高速数据采集与处理单元,开发了快速AFM扫描方法与控制策略,提高了AFM的成像速度。首先,建立了典型AFM成像模式的探针动力学模型,通过接触模式下悬臂对硬基底阶跃响应的仿真分析,确立了探针-样品相互作用力的简化模型。基于AFM成像系统核心组件的输入输出实验数据,完成了参数的标定和数学模型的构建,并通过典型轨迹的跟踪测试结果,验证了模型的可靠性和准确性,该建模过程为基于模型的控制器设计提供了理论基础。然后,传统AFM扫描通常缺失感兴趣目标的先验位置信息,难以直接对目标区域进行高分辨率成像,且图像往往包含大部分无效区域,极大限制了AFM的成像效率。针对上述问题,提出了目标边界快速跟踪与局部扫描方法。边界跟踪算法可快速定位目标并记录其边界点;基于所感知的目标边缘信息,局部扫描方法可实现仅对目标覆盖区域的快速成像。不同AFM成像模式的实验验证了方法的有效性。随后,针对常规纳米定位台在传统光栅扫描模式下成像速度受限的问题,提出通过设计高性能控制器和数据后处理方法来提高AFM扫描速度和成像质量。采用正弦波驱动的光栅扫描模式,避免了常规三角波的高次谐波引起扫描器的机械共振。开发了迭代学习控制器,有效抑制了XY向压电扫描器快轴的迟滞误差;进一步开发了前馈-反馈控制器,削减了响应延迟并提高了跟踪性能。研制了双致动高速Z向纳米定位器,并设计了基于混合灵敏度框架的H∞控制器,提高了反馈控制带宽和成像质量。提出了基于卡尔曼滤波器迭代融合的样品形貌最优估计的数据后处理方法,改善了AFM的图像质量。构建了基于现场可编程门阵列平台的高吞吐量数据采集与实时数字信号处理系统,并通过结合快速扫描方法和控制策略,将常规纳米定位台的扫描速度从几赫兹提高到几十赫兹,实现了快速、高质量的AFM扫描成像。最后,针对现有的三维AFM成像技术无法实现三维结构全方位快速成像的问题,提出了回转体结构快速旋转定位扫描方法。构建了基于光学显微系统的高精密旋转换位微平台,补偿了样品旋转过程的位置偏差,实现了样品快速原位定位与扫描成像。开发了基于图像拼接的三维重构方法,完成了样品形貌和纳米力学特性三维分布图的构建。