原子力显微镜（AFM）是用于纳米级测量的重要仪器。然而,由于传统AFM系统组件的带宽有限,导致其扫描成像速度较慢,难以满足目前对于微结构检测或纳米加工的需求。尤其是传统扫描器和控制系统的带宽通常太低而无法实现高速扫描。本文提出了一种结构简单紧凑,小型化和高度集成的高速成像AFM系统。作为AFM成像系统的重要组成部分,为了实现高带宽和低耦合误差的扫描运动,研制了一种基于压电陶瓷驱动的并联式xyz扫描器。另外,采用高控制带宽的现场可编程模拟阵列（FPAA）,实现了全程模拟信号的处理与控制,并基于有效的混合控制策略,提高了xyz扫描器的轨迹跟踪性能。同时,为了快速简单地操作自主开发的AFM系统,开发了一款操作软件,集成了所有采集数据的处理和成像。最后,基于自主开发的AFM成像系统,展开了一系列的成像实验研究。本文主要研究内容如下:提出了一种结构简单紧凑,小型化和高度集成的高速成像AFM系统的设计思路,其主要由光学测量系统,探针检测系统,扫描器和控制系统组成。理论分析了光束偏转检测探针悬臂梁的扭转和平移灵敏度,以及它们之间存在的串扰误差。为了提高光学测量精度,提出了一种减小此串扰误差的光学测量系统的设计方法。针对AFM成像系统常用的两种扫描模式:横向扫描和平行扫描,分别建立两种扫描模式下的悬臂梁探针力学模型,研究了不同横向力对悬臂梁探针扫描检测精度的影响。发现在平行扫描时,悬臂梁探针的z方向位移受横向力的干扰更为明显;相应的动态特性仿真也验证了,悬臂梁探针在平行扫描方式下,由于受横向力的作用,其扫描稳定性较差。上述的理论研究表明,横向扫描方式更适合用于扫描系统的高速成像。作为AFM系统一个非常重要的组成部分,扫描器的性能对整个系统的成像和微纳操纵性能有着重大的影响。为了克服传统扫描器的缺点,研制了一种基于压电陶瓷驱动并联式的xyz三轴扫描器。基于高带宽和低耦合误差的设计目标,采用平行板柔性铰链作为导向机构,展开了详细的刚度分析和参数化设计。此外,模型验证和原型样机测试都证实了该扫描器具备高的运动带宽和良好的解耦性能,实验结果指出了其有效的扫描运动工作空间为:8.66×8.4×10.6μm3,x,y和z三轴之间的最大耦合误差为1.5%。频率响应的测试结果表明:沿三个工作轴的固有频率分别为8.8,9.1和33.4 k Hz。大多数原子力显微镜（AFM）都使用数字信号处理器（DSP）作为反馈控制器,在这种数字实现中,信号需要先被采样,数字化,然后再经过DSP处理器进行处理和控制,这将不可避免地影响控制系统的整体处理速度。为了突破这一限制并实现快速成像,本文提出了一种全程模拟控制器——FPAA,可直接对模拟信号进行控制和处理,并且比普通的商业控制系统具有更高的控制带宽。另外,固有的滞后和蠕变非线性特性严重限制了压电驱动扫描器的定位精度。因此,基于逆Bouc-Wen模型,提出了前馈/反馈混合控制算法,并成功在模拟控制器上实施,有效地提高了xyz扫描器的轨迹跟踪性能。一系列的轨迹追踪实验展示了xyz三轴扫描器具备良好和稳定的扫描能力。提出了一种参数标定方法,分别校准并确定了位置探测器的灵敏度系数和z压电陶瓷伸缩系数,确保AFM系统的成像精度。此外,基于接触扫描模式,力-距离曲线可以被准确的获得,并确定了扫描时接触力的大小。最后,为了快速简单地操作所开发的AFM成像系统,实现实时扫描成像,开发了一款操作软件界面,该界面集成了所有采集数据的处理和成像,能够准确并实时获取样品表面的拓扑信息。自主开发了一种结构简单紧凑,小型化和高度集成的高速成像AFM系统,开展了一系列的成像实验研究。测试并确定了该系统成像时的z噪声。为了检验两种扫描方式（平行扫描和横向扫描）对高速成像的有效性,实验结果证实了横向扫描方式更适用于高速成像。基于该扫描方式,一系列成像操作被执行,实验结果揭示了该自主设计开发的成像系统具备高达120 Hz扫描频率,保证了512×512的成像分辨率和7×7μm2的成像范围。当成像分辨率为400×400和成像范围为3×3μm2时,执行的扫描频率可大于250 Hz。最后,应用该高速成像系统对聚合物纳米纤维进行扫描成像,成像速率可高达10帧/秒。