本发明公开了一种双曲面菲涅尔透镜结构及其设计方法，该透镜包括前表面和后表面，两表面都由若干齿槽状同心环带组成的菲涅尔面，且前后表面的每个环带的齿底基底均为曲面基底，前表面基底为凸曲面，后表面基底为凹曲面。该透镜设计自由度更大，菲涅尔结构型面更加丰富；且两侧基底曲面均在同一侧，使得基底材料去除率更高，重量更轻，曲面基底设计突破了平面基底的限制，使得透镜占用空间更小，结构更加紧凑。本发明是一种基底与菲涅尔微结构同步设计新方法，即以每环焦点相同为依据，以中间环带焦点位置和曲率为基准，分别对前后表面各环带曲率计算，实现各环带焦点一致设计，使透镜在保证聚光率的同时可进一步缩短焦点，视场变得更加宽广。