菲涅尔透镜（Fresnel lens）又称螺纹透镜（或称同心圆阶梯透镜），是一种微细结构的光学元件，从正面看其象一个飞镖盘，由一环一环的同心圆组成。
菲涅尔透镜是由法国物理学家，奥古斯汀.菲涅尔（Augustin.奥古斯丁·菲涅耳)发明的，他在1822年使用这种透镜用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统，灯塔透镜。菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的。镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆或同轴直线。纹理是利用光的干涉及挠射和根据相对灵敏度和接收角要求设计的。其作用一是聚焦，二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。
菲涅尔透镜是一种应用十分广泛的光学元件，多用于对精度要求不是很高的场合，如投影以及太阳能光伏领域、薄膜放大镜、红外探测器等。
历史来源
1748年，法国博物学家布丰伯爵（Compte deBuffon）提出阶梯结构透镜的设想，通过从透镜平面侧向球面侧挖除一部分材料获得轻薄的球壳透镜。其后，孔多塞提出用单片玻璃研磨得到相似的透镜。1822年，法国物理学家奥古斯汀·简·菲涅尔(Augustin Jean 奥古斯丁·菲涅耳)发明了世界上第一枚菲涅尔透镜，它用多个同轴排列或平行排列的棱镜序列组成的不连续曲面取代一般透镜的连续球面，并安装在吉伦特省河口的歌杜昂灯塔之上，使灯塔照明传输更远。
基本原理
菲涅尔透镜，又名螺纹透镜，多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高。
菲涅尔透镜也是一种应用十分广泛的光学元件，其设计和制造涉及到多个技术领域，包括光学工程，高分子材料工程，CNC机械加工，金刚石车削工艺，镀工艺；模压、注塑、浇铸等制造工艺。
工作原理
其工作原理十分简单：假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。另外一种理解就是，透镜连续表面部分“陷”到一个平面上。
从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。这种透镜还能够消除部分球形像差。
光学原理
在几何光学中，光线的偏折角度是由透镜表面的曲率决定的，而折射光线的位置受到透镜轴向的厚度影响。基于这个原理，可以对平凸透镜（或非球面透镜）中不影响光路的部分按照一定的规则（齿等厚或等宽）切除，用切除后的不连续的曲面代替始透镜的连续曲面。这一过程产生的会聚透镜表面会形成具有不同弧面的同心圆环，被称为菲涅尔透镜。
由上图可以看出，菲涅尔透镜中的每个同心圆环都保留了原有平凸透镜或非球面透镜的曲率。透镜轴向的厚度会影响折射光线的位置，如此一来光经过每个环后形成的焦点，相对于原平凸透镜的焦点，会产生往光源方向的偏移，偏移量为每个同心圆环被去除的厚度长。因此平凸透镜直接切除中心厚度后得到的菲涅尔透镜与原始的平凸透镜会聚效果并不相同，需要重新计算每个圆环的弧度和角度。当环距比较小的情况下，实际加工每个环带时可以用平面代替弧面而几乎不影响聚焦性能。
菲涅尔透镜采用同心圆环结构，每个环带保留原来透镜的曲率特性，聚焦性能不变。与传统透镜相比，菲涅尔透镜的聚焦性能没有改变，由于去除了部分材料，其体积更小、重量更轻，可以制作较大的口径。考虑到实际加工，透镜各环带的曲面轮廓可以用平面替代，由于透镜环距比较小，对透镜聚焦性能影响不大。这些环形锥面从透镜中心一直延伸至透镜边缘，锥面的倾斜角从中心向外逐渐增大，以适应原透镜表面的曲率变化。
菲涅尔透镜由一系列同心棱形槽构成，亦称螺纹透镜，其工作原理十分简单，其原理基于菲涅尔波带片。菲涅尔透镜的本质是一种衍射光学元件，根据光调制的不同，可以分为振幅型菲涅透镜和位相型菲涅尔透。菲涅尔波带片即属于振幅型菲涅尔透镜，在制造菲涅尔透镜时，除了采用遮挡偶数波带或者奇数波带的办法，还可以通过位相补偿的办法实现，即位相型菲涅尔透镜。通过减小或者增加波带的厚度，使光通过偶数波带相对于奇数波带生π的相位变化，于是通过偶数波带的光与通过奇数波带的光在设计焦点处变成同相位，相互加强。
假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。
另外一种理解就是，透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上。从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。这种透镜还能够消除部分球形像差。
作用
菲涅尔透镜在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多，多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。
菲湿尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输人，从而增强其能量幅度。
菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。
菲涅尔透镜，简单地说就是在透镜的一侧有等距的齿纹。通过这些齿纹，可以达到对指定光谱范围的光带通（反射或折射）的作用。传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵，菲涅尔透镜可以极大地降低成本。典型的例子就是PIR。PIR广泛使用在警报器上。在每个PIR上都有个塑料的小帽子，这就是菲湟尔透镜。小帽子的内部都刻上了齿纹。这种菲涅尔透镜可以将人射光的频率峰值限制在10mm左右（人体红外线辐射的峰值）。
菲涅尔透镜可以把透过窄带干涉滤光镜的光聚焦在硅光电二级探测器的光敏面上，菲涅尔透镜由聚甲基丙烯酸甲酯制成，不能用任何有机溶液（如乙醇等）擦拭，除尘时可先用蒸馏水或普通净水冲洗，再用脱脂棉擦拭。
如今的相机对焦屏都是磨砂毛玻璃菲涅尔透镜，其优点是明亮和亮度均匀。对焦不准时，在对焦屏上的成像是不清晰的。为了配合更精确地对焦，一般在对焦屏中央装有裂像和微棱环装置。当对焦不准时，被摄体在对焦屏中央的像是分裂成两个图像，当两个分裂的图像合二为一时，表明对焦准确了。AF单反机的标准对焦屏一般不设有裂像装置，而是刻有一个小矩形框来表示AF区域，有些对焦屏上还刻有局部测光或点测光区域。早期AF单反机在光线较暗环境中对焦时，往往很难看见对焦框，就难以判断相机是以哪一点来作为对焦点，新一代单反机对焦屏上的对焦点会发光，或者有对焦声音提示，便于在复杂环境中确认对焦。不同类型的对焦屏有不同的用途、拍摄人像可能用如裂像对焦屏更好，带横竖线或刻度的对焦屏适用于建筑物摄影和文件翻拍；中间部分没有裂像而只有微棱的对焦屏适用于小光圈镜头，它不会有裂像一边亮一边黑的缺点。不少单反相机焦屏可由用户自己更换。又称螺纹透镜。
分类
应用领域
菲涅尔透镜现阶段主要应用领域包括投影以及太阳能光伏领域。因为菲涅尔透镜射出的光线边缘较为柔和，故它常用在染色灯上。在透镜前方的支架上放置一块有颜色的塑料膜给光线染色，也可放置金属纱网或磨砂塑料使光线弥散。许多含有菲涅尔透镜的设备都允许灯在焦点前后移动，以放大或缩小光束的大小，其非常适合在透镜式投影仪、背投电视、幻灯机以及准直器上使用，不仅因为透过它的光线比透过普通透镜的亮度高，也由于透过它的整束光线在各个部位的亮度都相对一致。
太阳能光伏
在太阳能光伏领域，菲涅尔主要作为聚光光伏系统中的聚光部件，将光线从相对较大的区域面积转换成相对小的面积上。廉价的菲涅尔透镜一般由透明塑料压铸或模塑而成，其尺寸可以在做得比玻璃大的同时更轻、更经济，因此，大型的菲涅尔透镜也被广泛用在太阳灶聚集阳光或是太阳能热水器上。
汽车车灯
除此之外，菲涅尔透镜也广泛应用在汽车前灯、汽车尾灯以及倒车灯上。它能使大灯最初由凹面镜反射出来的平行光向下倾斜，因此，菲涅尔透镜也用于校正一些视觉障碍，比如斜视。
红外探测器
红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。一个红外探测器至少有一个对红外辐射产生敏感效应的物体，称为响应元也叫电红外传感器，和可以让红外透过并划分区域的介质--菲涅尔透镜。
菲涅尔镜聚光灯
菲涅尔镜聚光灯广泛应用于电影摄影照明。这种聚光灯的光学系统由菲涅尔透镜(习称螺纹透镜)和球面反光镜组成。光源的发光体中心位于球面反射镜的球心位置。通过调焦机构，使光源联同反光镜沿着菲涅尔透镜的光轴方向前后移动，即可得到角度大小连续变化的光束。菲涅尔透镜的非螺纹面上，通常压有各种花样"龟纹"或"蜂窝"，使光线适当地散射，使照明效果柔和均匀，且在被照射的光场中，无明显的边界，便于接光。
菲涅尔-球透镜
菲涅尔透镜聚光效果引起了许多学者的研究兴趣，美国航空航天局(NASA)在上世纪公布了菲涅尔透镜聚光器的设计参数，为后续研究指引了方向。D.C.Miller等人长期从事菲涅尔透镜制作材料方向研究，通过对不同的材料进行测试发现PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料对太阳光线拥有近92%的通过率，是目前菲涅尔透镜主要制作材料。Sierra等人利用菲涅尔透镜聚光产生的高温对金属表面进行处理，具有较好的效果。2010年，BenitesB等人设计了菲涅尔-科勒聚光系统，获得了均匀的聚焦光斑33。2017 年，黄启录等设计菲涅尔-球透镜的聚光系统，聚光比高达6253。由于菲涅尔透镜聚光效果好，同时 PMMA材料通光率高，此透镜逐渐在太阳能领域得到应用。R.Gabbrielli等研究发现小型线性菲涅尔式光热发电可以与传统发电方法相结合并具有较好的可行性。
参考资料
菲涅尔透镜 .重庆科技馆.2023-08-15