在微观尺度领域,原子力显微镜(AFM)是重要的研究测量工具,能提供纳米级的测量精度,其高精度测量及纳米操作的能力拓展了在机械、生物、生命科学领域的用途。为提高AFM的测量精度和成像速度,本文设计并研发了一个样品扫描成像系统,系统具有扫描成像功能,能进行快速高精度的扫描测量。首先介绍了样品扫描成像系统的工作原理、组成部分及工作模式。本系统采用光杠杆位置检测法,由AFM探针、光电位移传感器(PSD)、激光器组成位置检测系统,并采取探针固定,样品扫描的方式进行恒力接触式扫描。然后对系统主要零部件进行设计加工及选型。系统由位置检测机构、平台托架、基座、快速定位系统及扫描器组成,零部件可根据系统要求自定义设计,无光学配件,装配简单。扫描器采用柔性铰链机构,由压电驱动器驱动,能实现高速精准低耦合误差的位移输出。接着根据搭建好的硬件平台进行系统参数标定,包括扫描器位移传感器标定、PSD信号标定和闭环控制标定等。然后根据其功能进行程序设计,包括快速定位系统程序、模拟采集程序、进退针程序和扫描成像程序。最后进行了实验研究,包括多种样品在不同分辨率和扫描频率下的扫描测试、横向力和探针起伏成像、根据扫描器迟滞现象进行了前馈补偿以及样品力谱检测。本样品扫描成像系统具有良好的扫描测试表现,测量精度高,扫描速度快。本系统无光学配件,光路简单,无需复杂的光学对焦,操作简单。扫描器固有频率、刚度高,采用运动闭环控制,系统鲁棒性好。本文从结构设计、参数标定、软件编程和实验验证等方面阐述系统是如何实现的,对纳米技术的研究具有重要的指导意义。