SVOM 天文衛星項目選用的「模仿龍蝦的 X 射線鏡片」是如何做到將鏡片重量減少到十分之一的？

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Solidot | 中法太空望遠鏡項目選擇了一個模仿龍蝦的光學鏡片

鏡片由英國萊斯特大學科學家研製，其設計受到了龍蝦和其它類似動物的啟發，龍蝦的眼睛使用了反射鏡去聚焦光。傳統的望遠鏡X射線鏡片由固態玻璃和金屬構成，重達數十公斤，新型的「龍蝦」X射線鏡片僅僅重1公斤，更容易發射到太空軌道。

這個鏡片的原理是什麼？為什麼重量能比傳統鏡片減少這麼多？

我本人對 x 射線光學並不熟，這裡只談談我了解的方面。前面 @Senlin Chang 已經解釋得很全面了，我說的算是補充吧。
我們知道，一個光學系統要成像，首先要對光線進行聚焦。手段無非兩種，傳統的望遠鏡大部分利用透鏡對光線進行聚焦，我們叫折射望遠鏡；但是透鏡難以做大，於是人們用反射鏡對光線進行聚焦，我們叫反射望遠鏡。
但是這兩個思路對 x 射線都不太好使，x 射線穿透能力太強了，根本沒有什麼材料能折射它，反射呢，也不太好，所有材料對 x 射線的反射率都很低，於是依靠反射無法收集足夠的 x 射線。
看起來死路一條了，然而柳暗花明又一村。當 x 射線沿著很小的角度射向光滑的金屬表面（比如金、鉑等），就會被反射出來，這種情況叫做掠入射。也就是說，x 射線只能幾乎貼著金屬表面入射，才能被改變一點點方向，反射出來。（@Senlin Chang 答案里說是全反射的原理，私以為全反射和掠入射還是不同的，這裡應該是掠入射）
依靠這一點點改變 x 射線的辦法，人們設計了很多成像裝置，最著名的就是 Senlin Chang 的答案里提到的 Wolter 裝置了，利用兩個精心設計的曲面（各自取一部分）對 x 射線進行掠入射反射，然後聚焦到一個點上

圖片引用自[1]，根據[2]的原始信息繪製
注意看圖中的黑色粗線，分別是兩條圓錐曲線的一部分，利用圓錐曲線的光學性質，對 x 射線進行反射聚焦。當然嚴格說來上面這種共焦點（Confocal）的設計並不是最優的，只消除了球差而沒有消除其他像差。通過合理設計，可以同時做到消除球差和彗差。在可見光波段，有一個很著名的設計 RC 系統[3]，其實就對應上面的第二種設計，仍然是兩個雙曲面，只不過不再是共焦點了。大名鼎鼎的哈勃望遠鏡採用的就是這種設計

圖片引自[3]，圖中 M1 和 M2 兩個鏡片都是雙曲面，相當於前面圖中第二個設計的對稱軸附近的部分。
可以看到對於可見光，反射鏡的入射角可以做到很大，所以整個鏡片都可以用來反射光線，收集光的能力很高。而 x 射線只能掠入射，因此鏡片只能有很窄的一個環帶能被用來收集光線，效率較低。為了彌補這個事實，Wolter 望遠鏡通常都會設計成層層疊疊的形式，每一層都是曲面的一個環帶。

圖片引自[1]，其實這是另一種著名的 x 射線光學系統，KB 系統。這種層層疊疊的鏡片形式和 Wolter 系統是類似的。
以上，Wolter 系統就是題主在新聞里看到的「傳統的 x 射線望遠鏡」
看到這裡，我想題主應該能發現，這種層疊的結構是所有 x 射線望遠鏡的特色，這是由我開頭提到的 x 射線只能通過掠入射來改變角度這個根本原因所決定的。

回到龍蝦眼睛，龍蝦眼睛的結構，在 Senlin Chang 答案開頭就給出了，其中關鍵的光路如下

圖片引自[1]，根據[4]的數據繪製。
這裡每一個條狀物體就是一個反射面，將很小角度入射的 x 射線反射向焦點。從這個截面看，也許大家會以為它是和 KB 系統或者 Wolter 系統一樣的層疊狀，但實際上它是方格狀的。如下圖

圖片引自[6]
這種結構比起透鏡或者反射鏡而言，當然是有缺點的，它不能連續地匯聚光線。由於在兩片反射面之間存在多次反射，所以入射光線差一點，出射光線就可能差很多。比如下圖最上面兩條光線，出射角度相差很大。

圖片引自[5]，這張圖用光線追跡形象地展示了龍蝦眼系統的幾何像差。
這種系統的像差是很大的，簡言之，用它「拍出來」的 x 射線照片上，一個星星不是一個點，而是糊成一團的正方形光斑，旁邊還有星星點點的其他光斑和光暈，比如下圖這樣

圖片引自[5]，圖中顏色深度與光強成正比。
是的你沒看錯，這麼十字架一樣的一坨東西，就是一顆「星星」。
雖然系統像差很大，但是，由於這種系統結構上完全對稱，從任何方向過來的 x 射線對它來說都是一樣成像的，所以理論上來說，它能夠對 360 度的視野進行無差別成像，這也是這個系統的一大優勢，如 Senlin Chang 說的「它幾乎能實現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 R?ntgenstrahlen,」 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

謝邀。樓上的@Senlin Chang同學已經給出了一些非常有用的信息。
一、關於折射式X射線成像系統的討論
X射線的波長非常短，在30~0.03nm波段[1]，在此波段上，適用於可見光波段(380nm~760nm)的光學玻璃的折射率會很接近於空氣。也就是說，X光可以直接「穿透」光學玻璃而幾乎不發生偏折，導致折射式的X射線成像系統的焦距會很長(10m)因而基本上毫無用處[2]。同時，大部分光學玻璃暴露於X或gamma射線環境下也會由於產生自由電子而變黑。石英材料和含鍶玻璃的抗輻照特性稍好，但是種類有限，交貨較慢[3]。
在ref.[2]中同樣提到，在3.5nm波段用於X射線折射成像的Possible材料僅有碳和金，並且還只是possible，並且就算是這兩種材料，他們對於X射線的吸收和散射率同樣是不可忽略的。
此外，折射式系統相對於反射式系統，各光學元件是實心的，因此，同等口徑的元件，折射式元件比反射式元件重很多。因此，在航空航天領域，反射式系統由於其重量輕，應用普遍比折射式系統廣泛。地基或者天基的天文望遠鏡要求解析度很高，對應的鏡片口徑也就比較大，較大的鏡片，折射式元件成型、拋光等工藝上的難度也會大得多，所以現在做天文觀測的望遠鏡大部分都是合成孔徑反射式的。
綜上，關於折射式X射線成像系統，可以有結論是：根本不適用於X射線成像，對於對載荷敏感的星載成像系統更如如此。至此可以初步回答題目中「為什麼重量能比傳統鏡片減少這麼多？」的提問。
此外，題目中說「傳統的望遠鏡X射線鏡片由固態玻璃和金屬構成，重達數十公斤」，我暫時沒有找到這樣的折射式X射線望遠鏡，望有人能給一個參考源。
二、龍蝦眼式的X射線成像系統
既然折射式的成像系統行不通，自然就轉向反射式的成像系統。反射式的系統有很多，常見的天文望遠鏡里有卡塞格林等形式。龍蝦眼式的反射式系統最初在20世紀70年代提出，大概原理可以參考@Senlin Chang同學的回答。我找到一個2007年的專利[4]畫得比較清楚，如圖1所示。X射線打到反射面上會聚到球形的像面，再用端面已經做成球面的光纖束接收成像。

圖1 光纖耦合式龍蝦眼X射線成像系統示意圖
龍蝦眼也分為兩種型式，一種是Angel式，一種是Schmidt式。如圖2所示[5]。兩者的區別是Schmidt是橫縱分開，Angel式是橫縱一體。

圖2 兩種型式的龍蝦眼結構
在圖二中也可以看出來，只要有合適的感測器，實際上這種結構可以做成一個球，視場可以無死角。不過在SVOM系統里只是用龍蝦眼結構作為小視場光學系統用的[6]。
三、SVOM與MXT
此處解讀基本上源於由法國和德國的SVOM項目參與人員發表的ref. [6]，SVOM(Space based astronomical Variable Object Monitor)搭載了兩個寬視場儀器——編碼掩膜成像望遠鏡(Coded mask telescope)ECLAIRs(見ref. [7])，一個非成像gamma射線探測器GRM和兩個窄視場儀器——可見光波段望遠鏡VT和X射線望遠鏡MXT。基於龍蝦眼的只是MXT一個而已，結構示意圖如圖3所示，由光學件(Optic)、結構件(Structure)、相機(Camera)和散熱器(Radiator)組成。

圖3 MXT結構示意圖
其中Optic部分是基於龍蝦眼結構的，其放大圖如圖4所示，反射面鍍鉑和銥來提高X射線的反射率。

圖4 龍蝦眼結構放大圖和分布
相機結構等內容略，可以在ref. [6]里找到，那麼問題又來了，這麼大個兒的東西為什麼還這麼輕呢？因為它的結構件是碳纖維做的。。。
四、總結
綜上所述，仿龍蝦眼反射式加上碳纖維結構體，使MXT重量較輕，從而減輕了SVOM的重量。最後，讓我們期待2021年的這顆探測器為我們帶來宇宙深處的信息。
五、參考文獻
[1] 郁道銀，談恆英. 工程光學[M]. 機械工業出版社, 2006.
[2] Michette A G. Optical systems for soft X rays[M]. Springer Science Business Media, 2012.(註：谷歌圖書可以在線查閱，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.

說在前面，我本人的研究方向並不是傳統光學系統設計，所以以下回答如果有紕漏，敬請大神指正。
仿龍蝦眼睛的鏡片設計其實早在1970s [1]就已經提出來了，之所以沒有得到廣泛的應用，是製作起來比較難以實現。它的原理圖 [2] 如下：

也就是利用全反射的原理進行聚焦。現在這個理論的研究已經很多了，谷歌輸入Lobster eye optics能檢索到一大堆東西。
傳統的X-Ray成像系統有很多，較早也比較著名的一個是Wolter X-ray lenses system [3]，它的原理圖長這樣：

需要注意的是，這裡為了示意原理，省略了細節的東西。事實上為了實現非常小的嚴格的掠入射，處理X-Ray的強穿透性，消除各種像差等影響成像質量的問題，傳統的這些系統很複雜，很龐大，當然也很重。
龍蝦眼類的X-Ray鏡片得益於其精巧的成像系統，能夠以精密的鏡片設計來避免笨重的傳統成像系統。但重量輕只是它的一個優勢，另外一個重要的優勢是，它幾乎能實現unlimited field of view. [4]
如果對這個東西感興趣，可以參考這篇文章，「Lobster-eye x-ray optics: a rapid
evaluation 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 in
hard-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.

謝邀。

現在已經有非常好的答案了。江無竭的答案最切中要害。Senlin Chang和章佳傑等的答案也給出了很多相關的背景知識。我在這兒更多從生物角度做解釋。但是江無竭的答案說構件是碳纖維做的所以輕，我不敢苟同。從The Microchannel X-ray Telescope on Board the SVOM Satellite（http://arxiv.org/pdf/1507.00204v1.pdf）一文看，還是用的玻璃，只是特殊加工後的glass square micropore optics，而玻璃表面鍍了一層金屬做反射面。

確實X射線，波長不到10納米，穿透性超強。普通材料不要說玻璃，穿透金屬對X射線來說也不是個事兒。普通的折射光學設計方法確實對X射線很有限。X射線對有周期性結構的晶體，可以在滿足布拉格條件時，形成反射光斑，對無定形的玻璃，則沒有這個效果。對於金屬等表面非常光滑（粗糙度 RMS &< 1nm）的反射面，通常也只有入射角很大的掠入射的情形(一般掠射角小於1度)，才能有效反射。小掠射角之所以有這個效果，要回到麥克斯韋方程組，由於X射線的頻率超級大，在金屬中，折射率略小於1，在掠入射小於臨界角的情況下，才能得到這種特殊解（Total external reflection）。基於這種掠入射反射鏡（grazing incidence mirrors），才有了幾位答主都提到的Wolter Telescope.

至於能做得很輕，就是由於靠反射，而不是靠折射。

動物眼睛絕大多數都是靠折射成像的。利用反射原理成像的眼睛，大多隻見於軟體動物和節肢動物。而其中，龍蝦這種反射型疊置眼（Reflecting Superposition Eyes），更是幾乎只在龍蝦，明蝦，小龍蝦等等蝦類里才有。究其原因，一是因為靠反射的眼睛，感光度可以很高，但是解析度還是偏低；二是因為從折射型進化到反射型眼睛，構造設計差別很大，進化理論是說多次小的基因變異才導致大的形態變化，但是從折射型到反射型的眼睛，中間幾乎沒有明顯的過渡，如果變異不是一步到位，成像質量會嚴重下降，這種變異更可能被進化淘汰。

蝦眼的結構如下圖，（http://www.hindawi.com/archive/2010/139148/fig5/）