自上世纪九十年代以来,一系列X射线相位衬度成像方法相继被提出,不同于传统基于吸收衬度机制的X射线成像,这些新颖的成像方法通过检测物体对X射线波前的调制获得物体的内部折射率信息。X射线波段,物体的折射率为复数形式,实部减小量(相移因子)反映相移信息,虚部(吸收因子)反映吸收信息。尤其是在硬X射线波段,软组织的相位因子是吸收因子的成百上千倍,也就是说相衬图像理论上有着更高的灵敏度,因此利用相移信号成像可以获得更高的图像质量。经过二十年的发展,目前X射线相衬成像形成了四种主流成像装置,包括晶体干涉仪、衍射增强成像、光栅相衬成像和同轴相衬成像,其中部分装置由于成像视场太小,以及较高的机械稳定性和光源相干性要求,难以向临床推广。近年来,基于光栅的X射线微分相衬成像引起了越来越多的关注,与其它的相衬成像方法相比,光栅相衬成像方法主要有两大显著优势：较低的光源相干性要求以及较大的成像视场,因此被普遍认为是极有可能应用于临床医学的成像方法。本论文从角度信号成像理论出发,讨论了衍射增强成像和光栅相衬成像的信息分离问题：以及相位衬度和散射衬度结合计算机断层重建(Computed Tomography, CT)的相关问题。相衬成像的投影同时包含吸收、折射和散射信号,三种信号对应物体不同的物理特性。为了获取这三种物体特性的定量信息,涌现了大量的信息分离方法。目前光栅相衬成像方法中主要有五种信息分离方法：相位步进方法、交错相步进方法、莫尔条纹分析方法、共轭射线分析方法和能量分辨方法。这些方法中,有的方法产生的辐射剂量大、有的方法引起分辨率降低、有的方法不能提取散射信号,针对这些问题,本论文发展了角度信号成像理论,并基于该理论提出余弦拟合方法,不仅可以实现标准方法的效果,弥补了标准方法对大角度折射信号的低估问题,而且建立了衍射增强成像和光栅相衬成像之间密切的联系,它们本质上都是由角度准直器和分析器组成的成像装置，探测的物理量都是样品相位分布的一阶导数,利用分析器的运动(分析晶体的转动或分析光栅的平移)来选择性接收入射到分析器上的光线,分析晶体的运动所对应的角度,等价于样品对X射线产生的折射角。在光栅相位CT(phase tomography)中,利用传统的相位步进方法分离信息时,光栅平移运动与CT旋转运动交替进行,降低了成像速度,增加了样品受辐照时间。共轭射线分析方法是本研究组在2010年提出的一种快速低剂量成像方法,它巧妙利用照明几何中互为正反投影图像的共轭特性(即具有相同的吸收和相反的折射角)，只利用两幅图就可成功分离吸收和折射信息,一定程度上实现了快速、低剂量的相位CT成像。本论文将共轭射线分析方法与CT结合,分析了相位CT重建的相位因子的信噪比和空问分辨率之间的关系,阐述了光栅相位CT成像在高分辨率成像时比吸收CT成像具有更好的抗噪声性能。在光栅相衬CT中,散射信息可以反映亚分辨率尺度上的结构信息,提供了更加丰富的图像细节,与物体的吸收信息和折射信息形成有效的互补。本文利用光栅相衬CT成像重建出物体断层的散射信息,分析了散射体的尺寸和系统设计能量分别对重建的散射系数的影响,结果可以为区分具有相同吸收特性的材料提供帮助,从而拓宽了X射线光栅干涉仪在材料检测领域的应用。