Solidot | 中法太空望远镜项目选择了一个模仿龙虾的光学镜片 镜片由英国莱斯特大学科学家研制，其设计受到了龙虾和其它类似动物的启发，龙虾的眼睛使用了反射镜去聚焦光。传统的望远镜X射线镜片由固态玻璃和金属构成，重达数十公斤，新型的“龙虾”X射线镜片仅仅重1公斤，更容易发射到太空轨道。 这个镜片的原理是什么？为什么重量能比传统镜片减少这么多？我本人对 x 射线光学并不熟，这里只谈谈我了解的方面。前面 @Senlin Chang 已经解释得很全面了，我说的算是补充吧。
我们知道，一个光学系统要成像，首先要对光线进行聚焦。手段无非两种，传统的望远镜大部分利用透镜对光线进行聚焦，我们叫折射望远镜；但是透镜难以做大，于是人们用反射镜对光线进行聚焦，我们叫反射望远镜。
但是这两个思路对 x 射线都不太好使，x 射线穿透能力太强了，根本没有什么材料能折射它，反射呢，也不太好，所有材料对 x 射线的反射率都很低，于是依靠反射无法收集足够的 x 射线。
看起来死路一条了，然而柳暗花明又一村。当 x 射线沿着很小的角度射向光滑的金属表面（比如金、铂等），就会被反射出来，这种情况叫做掠入射。也就是说，x 射线只能几乎贴着金属表面入射，才能被改变一点点方向，反射出来。（@Senlin Chang 答案里说是全反射的原理，私以为全反射和掠入射还是不同的，这里应该是掠入射）
依靠这一点点改变 x 射线的办法，人们设计了很多成像装置，最著名的就是 Senlin Chang 的答案里提到的 Wolter 装置了，利用两个精心设计的曲面（各自取一部分）对 x 射线进行掠入射反射，然后聚焦到一个点上
图片引用自[1]，根据[2]的原始信息绘制
注意看图中的黑色粗线，分别是两条圆锥曲线的一部分，利用圆锥曲线的光学性质，对 x 射线进行反射聚焦。当然严格说来上面这种共焦点（Confocal）的设计并不是最优的，只消除了球差而没有消除其他像差。通过合理设计，可以同时做到消除球差和彗差。在可见光波段，有一个很著名的设计 RC 系统[3]，其实就对应上面的第二种设计，仍然是两个双曲面，只不过不再是共焦点了。大名鼎鼎的哈勃望远镜采用的就是这种设计
图片引自[3]，图中 M1 和 M2 两个镜片都是双曲面，相当于前面图中第二个设计的对称轴附近的部分。
可以看到对于可见光，反射镜的入射角可以做到很大，所以整个镜片都可以用来反射光线，收集光的能力很高。而 x 射线只能掠入射，因此镜片只能有很窄的一个环带能被用来收集光线，效率较低。为了弥补这个事实，Wolter 望远镜通常都会设计成层层叠叠的形式，每一层都是曲面的一个环带。
图片引自[1]，其实这是另一种著名的 x 射线光学系统，KB 系统。这种层层叠叠的镜片形式和 Wolter 系统是类似的。
以上，Wolter 系统就是题主在新闻里看到的「传统的 x 射线望远镜」
看到这里，我想题主应该能发现，这种层叠的结构是所有 x 射线望远镜的特色，这是由我开头提到的 x 射线只能通过掠入射来改变角度这个根本原因所决定的。
回到龙虾眼睛，龙虾眼睛的结构，在 Senlin Chang 答案开头就给出了，其中关键的光路如下
图片引自[1]，根据[4]的数据绘制。
这里每一个条状物体就是一个反射面，将很小角度入射的 x 射线反射向焦点。从这个截面看，也许大家会以为它是和 KB 系统或者 Wolter 系统一样的层叠状，但实际上它是方格状的。如下图
图片引自[6]
这种结构比起透镜或者反射镜而言，当然是有缺点的，它不能连续地汇聚光线。由于在两片反射面之间存在多次反射，所以入射光线差一点，出射光线就可能差很多。比如下图最上面两条光线，出射角度相差很大。
图片引自[5]，这张图用光线追迹形象地展示了龙虾眼系统的几何像差。
这种系统的像差是很大的，简言之，用它「拍出来」的 x 射线照片上，一个星星不是一个点，而是糊成一团的正方形光斑，旁边还有星星点点的其他光斑和光晕，比如下图这样
图片引自[5]，图中颜色深度与光强成正比。
是的你没看错，这么十字架一样的一坨东西，就是一颗「星星」。
虽然系统像差很大，但是，由于这种系统结构上完全对称，从任何方向过来的 x 射线对它来说都是一样成像的，所以理论上来说，它能够对 360 度的视野进行无差别成像，这也是这个系统的一大优势，如 Senlin Chang 说的「它几乎能实现unlimited field of view」。
[1] René, Hudec. "Kirkpatrick-Baez (KB) and lobster eye (LE) optics for astronomical and laboratory applications." X-Ray Optics and Instrumentation2010 (2011).
[2] H. Wolter, “Spiegelsysteme streifenden Einfalls als abbildende Optiken für Röntgenstrahlen,” Annalen der Physik, vol. 10, pp. 94–114, 1952.
[3] Ritchey
[4] L. Sveda, Astrophysical aspects of lobster eye X-ray telescopes, Ph.D. thesis, Charles University Prague, Faculty of Mathematics and Physics, Prague, Czech Republic, 2003.
[5] Victor Grubsky, M. Gertsenshteyn, T. Jannson Physical Optics Corporation Torrance, CA
[6] Complex structures focus reflected light: lobster编辑于 2015-11-04谢邀。楼上的@Senlin Chang同学已经给出了一些非常有用的信息。 一、关于折射式X射线成像系统的讨论
X射线的波长非常短，在30~0.03nm波段[1]，在此波段上，适用于可见光波段(380nm~760nm)的光学玻璃的折射率会很接近于空气。也就是说，X光可以直接“穿透”光学玻璃而几乎不发生偏折，导致折射式的X射线成像系统的焦距会很长(10m)因而基本上毫无用处[2]。同时，大部分光学玻璃暴露于X或gamma射线环境下也会由于产生自由电子而变黑。石英材料和含锶玻璃的抗辐照特性稍好，但是种类有限，交货较慢[3]。
在ref.[2]中同样提到，在3.5nm波段用于X射线折射成像的Possible材料仅有碳和金，并且还只是possible，并且就算是这两种材料，他们对于X射线的吸收和散射率同样是不可忽略的。
此外，折射式系统相对于反射式系统，各光学元件是实心的，因此，同等口径的元件，折射式元件比反射式元件重很多。因此，在航空航天领域，反射式系统由于其重量轻，应用普遍比折射式系统广泛。地基或者天基的天文望远镜要求分辨率很高，对应的镜片口径也就比较大，较大的镜片，折射式元件成型、抛光等工艺上的难度也会大得多，所以现在做天文观测的望远镜大部分都是合成孔径反射式的。
综上，关于折射式X射线成像系统，可以有结论是：根本不适用于X射线成像，对于对载荷敏感的星载成像系统更如如此。至此可以初步回答题目中“为什么重量能比传统镜片减少这么多？”的提问。
此外，题目中说“传统的望远镜X射线镜片由固态玻璃和金属构成，重达数十公斤”，我暂时没有找到这样的折射式X射线望远镜，望有人能给一个参考源。 二、龙虾眼式的X射线成像系统
既然折射式的成像系统行不通，自然就转向反射式的成像系统。反射式的系统有很多，常见的天文望远镜里有卡塞格林等形式。龙虾眼式的反射式系统最初在20世纪70年代提出，大概原理可以参考@Senlin Chang同学的回答。我找到一个2007年的专利[4]画得比较清楚，如图1所示。X射线打到反射面上会聚到球形的像面，再用端面已经做成球面的光纤束接收成像。
图1 光纤耦合式龙虾眼X射线成像系统示意图
龙虾眼也分为两种型式，一种是Angel式，一种是Schmidt式。如图2所示[5]。两者的区别是Schmidt是横纵分开，Angel式是横纵一体。
图2 两种型式的龙虾眼结构
在图二中也可以看出来，只要有合适的传感器，实际上这种结构可以做成一个球，视场可以无死角。不过在SVOM系统里只是用龙虾眼结构作为小视场光学系统用的[6]。 三、SVOM与MXT
此处解读基本上源于由法国和德国的SVOM项目参与人员发表的ref. [6]，SVOM(Space based astronomical Variable Object Monitor)搭载了两个宽视场仪器——编码掩膜成像望远镜(Coded mask telescope)ECLAIRs(见ref. [7])，一个非成像gamma射线探测器GRM和两个窄视场仪器——可见光波段望远镜VT和X射线望远镜MXT。基于龙虾眼的只是MXT一个而已，结构示意图如图3所示，由光学件(Optic)、结构件(Structure)、相机(Camera)和散热器(Radiator)组成。
图3 MXT结构示意图
其中Optic部分是基于龙虾眼结构的，其放大图如图4所示，反射面镀铂和铱来提高X射线的反射率。
图4 龙虾眼结构放大图和分布
相机结构等内容略，可以在ref. [6]里找到，那么问题又来了，这么大个儿的东西为什么还这么轻呢？因为它的结构件是碳纤维做的。。。 四、总结
综上所述，仿龙虾眼反射式加上碳纤维结构体，使MXT重量较轻，从而减轻了SVOM的重量。最后，让我们期待2021年的这颗探测器为我们带来宇宙深处的信息。 五、参考文献
[1] 郁道银，谈恒英. 工程光学[M]. 机械工业出版社, 2006.
[2] Michette A G. Optical systems for soft X rays[M]. Springer Science & Business Media, 2012.(注：谷歌图书可以在线查阅，在p.30)
[3] Laikin M. Lens design[M]. CRC Press, 2006.
[4] Gertsenshteyn M, Forrester T, Jannson T, et al. Lobster eye X-ray imaging system and method of fabrication thereof: U.S. Patent 7,231,017[P]. 2007-6-12.
[5] Inneman A V, Hudec R, Pina L, et al. Lobster eye x-ray optics[C]//SPIE's International Symposium on Optical Science, Engineering, and Instrumentation. International Society for Optics and Photonics, 1999: 72-79.
[6] Gotz D, Adami C, Basa S, et al. The Microchannel X-ray Telescope on Board the SVOM Satellite[J]. arXiv preprint arXiv:1507.00204, 2015.
[7] Godet O, Nasser G, Cordier B, et al. The X-/Gamma-ray camera ECLAIRs for the Gammay-ray burst mission SVOM[C]//SPIE Astronomical Telescopes+ Instrumentation. International Society for Optics and Photonics, 2014: 914424-914424-15.发布于 2015-11-04说在前面，我本人的研究方向并不是传统光学系统设计，所以以下回答如果有纰漏，敬请大神指正。
仿龙虾眼睛的镜片设计其实早在1970s [1]就已经提出来了，之所以没有得到广泛的应用，是制作起来比较难以实现。它的原理图 [2] 如下：
也就是利用全反射的原理进行聚焦。现在这个理论的研究已经很多了，谷歌输入Lobster eye optics能检索到一大堆东西。
传统的X-Ray成像系统有很多，较早也比较著名的一个是Wolter X-ray lenses system [3]，它的原理图长这样：
需要注意的是，这里为了示意原理，省略了细节的东西。事实上为了实现非常小的严格的掠入射，处理X-Ray的强穿透性，消除各种像差等影响成像质量的问题，传统的这些系统很复杂，很庞大，当然也很重。
龙虾眼类的X-Ray镜片得益于其精巧的成像系统，能够以精密的镜片设计来避免笨重的传统成像系统。但重量轻只是它的一个优势，另外一个重要的优势是，它几乎能实现unlimited field of view. [4]
如果对这个东西感兴趣，可以参考这篇文章，“Lobster-eye x-ray optics: a rapidevaluation of the image distribution” by A. G. Peele and K. A. Nugent.
以上。
[1] J. R. P. Angel, “Lobster eyes X-ray telescopes,” The Astrophysical Journal, vol. 233, p. 364, 1979.
[2] http://creation.com/lobster-eyes-brilliant-geometric-design
[3] René Hudec et. al., "Kirkpatrick-Baez (KB) and Lobster Eye (LE) Optics for Astronomical and Laboratory Applications", X-Ray Optics and InstrumentationVolume 2010 (2010);
Michael Gertsenshteyn, Gajendra Savant,and Tomasz Jannson, "Using lobster-eye optics inhard-x-ray imaging systems".
[4] P. Gorenstein, “All sky supernova and transient explorer (ASTRE),” in Variability of Galactic and Extragalactic X-Ray Sources, A. Treves, Ed., Associazione per L'Avanzamento dell'Astronomia, Milano, Italy, 1987.发布于 2015-11-04谢邀。
现在已经有非常好的答案了。江无竭的答案最切中要害。Senlin Chang和章佳杰等的答案也给出了很多相关的背景知识。我在这儿更多从生物角度做解释。但是江无竭的答案说构件是碳纤维做的所以轻，我不敢苟同。从The Microchannel X-ray Telescope on Board the SVOM Satellite（http://arxiv.org/pdf/1507.00204v1.pdf） 一文看，还是用的玻璃，只是特殊加工后的glass square micropore optics，而玻璃表面镀了一层金属做反射面。
