菲涅爾透鏡的設計原理是在加工時不再將透鏡看作一個整體

而是看作由許多微結構組成的一個實體，這些微結構保留了原凸透鏡的曲率半徑，而去除了中間對光線偏折不起作用或影響很小的部分。菲涅爾透鏡的設計過程如圖 1 所示，圖 2 是一種平面菲涅爾透鏡的實物圖。

早期由於材料的限制，透鏡都由玻璃製成，菲涅爾透鏡也不例外，但若採用傳統的研磨拋光法來加工菲涅爾透鏡，不僅耗時很長，且相當耗費人力，因而使得成本過高。後來人們發明了金屬模具熱壓的加工方式，但玻璃的表面應力過大，導致在熱壓時一些細節部分無法壓制出來，從而使菲涅爾透鏡達不到預期的使用效果，這些原因使得早期的菲涅爾透鏡無法被推廣，從1950 年左右開始，一種新型材料聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）因其具有與玻璃十分相似的光學特性，且重量更輕的優勢，被廣泛用在透鏡製作上。 1951 年Miller 等人採用 PMMA成功的製作出了菲涅爾透鏡，由於 PMMA 成本低，且性質穩定，因此從那之後人們開始用其替代玻璃來製作菲涅爾透鏡。

隨著科技的進步，透鏡加工工藝不斷進步，菲涅爾透鏡的光學性能也越來越好，逐漸被眾多領域所重視由於菲涅爾透鏡具有厚度薄、質量小、成本低、聚光效果好等優點使很多領域都開始關注菲涅爾透鏡的應用，其中太陽能聚光光伏產業已經將菲涅爾透鏡投入使用，隨著科技的發展，科技人員還在對菲涅爾透鏡的聚光性能進行進一步的研究與實驗，也取得了很多可喜的成果。

1970 年起美國國家航空航天局開始對菲涅爾透鏡進行詳細的研究，取得的很多研究成果對以後的科學家在菲涅爾透鏡研究的道路上起到了指路標的作用。在 1979 年 Kritchman 研製出了高倍聚光曲麵線聚焦菲涅爾透鏡該透鏡最大的優勢是在聚光性能上有了質的飛躍。 2006 年韓國人Kwang sun Ryu 提出將菲涅爾透鏡的表面劃分為細小模塊的設計方法，該方法採用軟件將菲涅爾透鏡的細小模塊進行處理，以便使入射太陽光能夠均勻的照射在矽光電池上，解決了以往太陽能光線容易集中在一小塊地方而燒毀電池的問題。

後來美國人 Daniel 對 Kwang sun Ryu 的菲涅爾透鏡進行深入分析，設計出一款多點聚焦型菲涅爾透鏡，光照均勻度比之前更加高。該款透鏡對傳統菲涅爾透鏡的螺紋進行了優化，把原來的單點聚焦模式改為多點聚焦，從而使得菲涅爾透鏡的聚焦光斑不再局限在某一個位置，光照均勻度由此提高。

在國內，俞泰公司於八十年代初期提出了綜合性菲涅爾透鏡的統一設計方法，為後來的學者研究菲涅爾透鏡起到了指導作用。

2002年 在柱面線聚焦菲涅爾透鏡的研究中發現當 F 數處在 1.3 左右，聚光比在 5 或6 時其光學效率可以達到 85%以上。

2007年 設計出一種摒棄了傳統的同心圓環結構而採用阿基米德螺線型溝槽的菲涅爾透鏡，這種透鏡雖與同心圓式菲涅爾透鏡在應用上無本質差異，但為菲涅爾透鏡開創了一種新的結構形式。

2009年 通過研究發現菲涅爾透鏡的聚光效率與入射光強度成正比，同時由於菲涅爾透鏡表面存在一定的光反射，因此其透光率與入射光的角度成反比。

2011年 分別在室內、外對菲涅爾透鏡的性能進行了研究，結果表明其透光率在室內外測試誤差不變，但聚光效率的測試誤差是室內測試比室外測試低，並分析了產生這種差異的原因，為以後人們在菲涅爾透鏡的測試加工中提供了參考。