本发明公开了一种实现X射线多能谱成像的叠层闪烁体结构及成像设备，属于X射线探测与成像技术领域。本发明把对X射线吸收系数不同、闪烁发光波段不同的闪烁体通过特殊的排列顺序堆叠形成多层复合结构，顶层闪烁体主要负责吸收低能X射线并发射最长波段的闪烁光，下一层主要吸收次高能量波段的X光子，并发出次短波长的光子，依此规律类推，最底层的闪烁体吸收最高能量X射线并产生最短波长的闪烁光子。本发明可以通过一次X射线照射就完成X射线光谱信息的读取和空间位置的成像，大大提升了成像速度、降低了成像所需射线剂量；避免了现有能量分辨探测器的固有缺陷“堆积效应”，可以在高通量X射线下正常使用；而且我们提出的方法可以很好地兼容目前成熟的硅基探测技术，比如基于晶硅的CMOS和基于非晶硅的TFT阵列。