菲涅爾透鏡（Fresnel lens），又稱螺紋透鏡（或稱同心圓階梯透鏡），多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制作的。鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，其紋理是根據光的干涉及擾射以及相對靈敏度和接收角度要求來設計的。
菲涅爾透鏡是由法國物理學家，奧古斯汀.菲涅爾（Augustin.奧古斯丁·菲涅耳)發明的，他在1822年使用這種透鏡用于建立一個玻璃菲涅爾透鏡系統，燈塔透鏡。其作用一是聚焦，二是將探測區域內分為若干個明區和暗區，使進入探測區域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號。
菲涅爾透鏡是一種應用十分廣泛的光學元件，多用于對精度要求不是很高的場合，如投影以及太陽能光伏領域、薄膜放大鏡、紅外探測器等。
歷史來源
1748年，法國博物學家布豐伯爵（Compte deBuffon）提出階梯結構透鏡的設想，通過從透鏡平面側向球面側挖除一部分材料獲得輕薄的球殼透鏡。其后，孔多塞提出用單片玻璃研磨得到相似的透鏡。根據史密森學會的描述，1823年，法國物理學家奧古斯汀·簡·菲涅爾(Augustin Jean 奧古斯丁·菲涅耳)發明了世界上第一枚菲涅爾透鏡，并安裝在吉倫特省河口的歌杜昂燈塔之上；透過它發射的光線可以在20英里（32千米）以外看到。
基本原理
菲涅爾透鏡，又名螺紋透鏡，多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制作的，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干涉及擾射和根據相對靈敏度和接收角度要求來設計的，透鏡的要求很高。
菲涅爾透鏡也是一種應用十分廣泛的光學元件，其設計和制造涉及到多個技術領域，包括光學工程，高分子材料工程，CNC機械加工，金剛石車削工藝，鍍工藝；模壓、注塑、澆鑄等制造工藝。
工作原理
其工作原理十分簡單：假設一個透鏡的折射能量僅僅發生在光學表面（如：透鏡表面），拿掉盡可能多的光學材料，而保留表面的彎曲度。另外一種理解就是，透鏡連續表面部分“陷”到一個平面上。
從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點，也就是透鏡的焦點。每個凹槽都可以看做一個獨立的小透鏡，把光線調整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除部分球形像差。
光學原理
在幾何光學中，光線的偏折角度是由透鏡表面的曲率決定的，而折射光線的位置受到透鏡軸向的厚度影響。基于這個原理，可以對平凸透鏡（或非球面透鏡）中不影響光路的部分按照一定的規則（齒等厚或等寬）切除，用切除后的不連續的曲面代替始透鏡的連續曲面。這一過程產生的會聚透鏡表面會形成具有不同弧面的同心圓環，被稱為菲涅爾透鏡。
由上圖可以看出，菲涅爾透鏡中的每個同心圓環都保留了原有平凸透鏡或非球面透鏡的曲率。透鏡軸向的厚度會影響折射光線的位置，如此一來光經過每個環后形成的焦點，相對于原平凸透鏡的焦點，會產生往光源方向的偏移，偏移量為每個同心圓環被去除的厚度長。因此平凸透鏡直接切除中心厚度后得到的菲涅爾透鏡與原始的平凸透鏡會聚效果并不相同，需要重新計算每個圓環的弧度和角度。當環距比較小的情況下，實際加工每個環帶時可以用平面代替弧面而幾乎不影響聚焦性能。
菲涅爾透鏡采用同心圓環結構，每個環帶保留原來透鏡的曲率特性，聚焦性能不變。與傳統透鏡相比，菲涅爾透鏡的聚焦性能沒有改變，由于去除了部分材料，其體積更小、重量更輕，可以制作較大的口徑。考慮到實際加工，透鏡各環帶的曲面輪廓可以用平面替代，由于透鏡環距比較小，對透鏡聚焦性能影響不大。這些環形錐面從透鏡中心一直延伸至透鏡邊緣，錐面的傾斜角從中心向外逐漸增大，以適應原透鏡表面的曲率變化。
菲涅爾透鏡由一系列同心棱形槽構成，亦稱螺紋透鏡，其工作原理十分簡單，其原理基于菲涅爾波帶片。菲涅爾透鏡的本質是一種衍射光學元件，根據光調制的不同，可以分為振幅型菲涅透鏡和位相型菲涅爾透。菲涅爾波帶片即屬于振幅型菲涅爾透鏡，在制造菲涅爾透鏡時，除了采用遮擋偶數波帶或者奇數波帶的辦法，還可以通過位相補償的辦法實現，即位相型菲涅爾透鏡。通過減小或者增加波帶的厚度，使光通過偶數波帶相對于奇數波帶生π的相位變化，于是通過偶數波帶的光與通過奇數波帶的光在設計焦點處變成同相位，相互加強。
假設一個透鏡的折射能量僅僅發生在光學表面（如：透鏡表面），拿掉盡可能多的光學材料，而保留表面的彎曲度。
另外一種理解就是，透鏡連續表面部分“坍陷”到一個平面上。從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點，也就是透鏡的焦點。每個凹槽都可以看做一個獨立的小透鏡，把光線調整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除部分球形像差。
作用
菲涅爾透鏡在很多時候相當于紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多，多用于對精度要求不是很高的場合，如幻燈機、薄膜放大鏡、紅外探測器等。
菲濕爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理，在探測器前方產生一個交替變化的“盲區”和“高靈敏區”，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發出的紅外線就不斷地交替從“盲區”進入“高靈敏區”，使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸人，從而增強其能量幅度。
菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在PIR上，第二個作用是將探測區域內分為若干個明區和暗區，使進入探測區域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號。
菲涅爾透鏡，簡單地說就是在透鏡的一側有等距的齒紋。通過這些齒紋，可以達到對指定光譜范圍的光帶通（反射或折射）的作用。傳統的打磨光學器材的帶通光學濾鏡造價昂貴，菲涅爾透鏡可以極大地降低成本。典型的例子就是PIR。PIR廣泛使用在警報器上。在每個PIR上都有個塑料的小帽子，這就是菲湟爾透鏡。小帽子的內部都刻上了齒紋。這種菲涅爾透鏡可以將人射光的頻率峰值限制在10mm左右（人體紅外線輻射的峰值）。
菲涅爾透鏡可以把透過窄帶干涉濾光鏡的光聚焦在硅光電二級探測器的光敏面上。菲涅爾透鏡由聚甲基丙烯酸甲酯制成，不能用任何有機溶液（如乙醇等）擦拭，除塵時可先用蒸餾水或普通凈水沖洗，再用脫脂棉擦拭。
如今的相機對焦屏都是磨砂毛玻璃菲涅爾透鏡，其優點是明亮和亮度均勻。對焦不準時，在對焦屏上的成像是不清晰的。為了配合更精確地對焦，一般在對焦屏中央裝有裂像和微棱環裝置。當對焦不準時，被攝體在對焦屏中央的像是分裂成兩個圖像，當兩個分裂的圖像合二為一時，表明對焦準確了。AF單反機的標準對焦屏一般不設有裂像裝置，而是刻有一個小矩形框來表示AF區域，有些對焦屏上還刻有局部測光或點測光區域。早期AF單反機在光線較暗環境中對焦時，往往很難看見對焦框，就難以判斷相機是以哪一點來作為對焦點，新一代單反機對焦屏上的對焦點會發光，或者有對焦聲音提示，便于在復雜環境中確認對焦。不同類型的對焦屏有不同的用途、拍攝人像可能用如裂像對焦屏更好，帶橫豎線或刻度的對焦屏適用于建筑物攝影和文件翻拍；中間部分沒有裂像而只有微棱的對焦屏適用于小光圈鏡頭，它不會有裂像一邊亮一邊黑的缺點。不少單反相機焦屏可由用戶自己更換。又稱螺紋透鏡。
分類
應用領域
菲涅爾透鏡現階段主要應用領域包括投影以及太陽能光伏領域。因為菲涅爾透鏡射出的光線邊緣較為柔和，故它常用在染色燈上。在透鏡前方的支架上放置一塊有顏色的塑料膜給光線染色，也可放置金屬紗網或磨砂塑料使光線彌散。許多含有菲涅爾透鏡的設備都允許燈在焦點前后移動，以放大或縮小光束的大小，其非常適合在透鏡式投影儀、背投電視、幻燈機以及準直器上使用，不僅因為透過它的光線比透過普通透鏡的亮度高，也由于透過它的整束光線在各個部位的亮度都相對一致。
太陽能光伏
在太陽能光伏領域，菲涅爾主要作為聚光光伏系統中的聚光部件，將光線從相對較大的區域面積轉換成相對小的面積上。廉價的菲涅爾透鏡一般由透明塑料壓鑄或模塑而成，其尺寸可以在做得比玻璃大的同時更輕、更經濟，因此，大型的菲涅爾透鏡也被廣泛用在太陽灶聚集陽光或是太陽能熱水器上。
汽車車燈
除此之外，菲涅爾透鏡也廣泛應用在汽車前燈、汽車尾燈以及倒車燈上。它能使大燈最初由凹面鏡反射出來的平行光向下傾斜，因此，菲涅爾透鏡也用于校正一些視覺障礙，比如斜視。
紅外探測器
紅外探測器是將入射的紅外輻射信號轉變成電信號輸出的器件。一個紅外探測器至少有一個對紅外輻射產生敏感效應的物體，稱為響應元也叫電紅外傳感器，和可以讓紅外透過并劃分區域的介質--菲涅爾透鏡。
菲涅爾鏡聚光燈
菲涅爾鏡聚光燈廣泛應用于電影攝影照明。這種聚光燈的光學系統由菲涅爾透鏡(習稱螺紋透鏡)和球面反光鏡組成。光源的發光體中心位于球面反射鏡的球心位置。通過調焦機構，使光源聯同反光鏡沿著菲涅爾透鏡的光軸方向前后移動，即可得到角度大小連續變化的光束。菲涅爾透鏡的非螺紋面上，通常壓有各種花樣"龜紋"或"蜂窩"，使光線適當地散射，使照明效果柔和均勻，且在被照射的光場中，無明顯的邊界，便于接光。
菲涅爾-球透鏡
菲涅爾透鏡聚光效果引起了許多學者的研究興趣，美國航空航天局(NASA)在上世紀公布了菲涅爾透鏡聚光器的設計參數，為后續研究指引了方向。D.C.Miller等人長期從事菲涅爾透鏡制作材料方向研究，通過對不同的材料進行測試發現PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料對太陽光線擁有近92%的通過率，是目前菲涅爾透鏡主要制作材料。Sierra等人利用菲涅爾透鏡聚光產生的高溫對金屬表面進行處理，具有較好的效果。2010年，BenitesB等人設計了菲涅爾-科勒聚光系統，獲得了均勻的聚焦光斑33。2017 年，黃啟錄等設計菲涅爾-球透鏡的聚光系統，聚光比高達6253。由于菲涅爾透鏡聚光效果好，同時 PMMA材料通光率高，此透鏡逐漸在太陽能領域得到應用。R.Gabbrielli等研究發現小型線性菲涅爾式光熱發電可以與傳統發電方法相結合并具有較好的可行性。
參考資料 >
菲涅爾透鏡 .重慶科技館.2023-08-15