JP2013231779A

JP2013231779A - 反射防止構造及び光学部材

Info

Publication number: JP2013231779A
Application number: JP2012102610A
Authority: JP
Inventors: Yoshimi Ota; 佳実大田
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-11-14

Abstract

【課題】垂直入射及び斜め入射に対しても低い反射率を得ることができ、かつ製造が容易で、機械的な強度が高い反射防止構造を提供する。
【解決手段】媒質１と空気Ｃとの境界に設けられたこの反射防止構造は、媒質１と媒質２とによって形成され、反射防止構造の有効屈折率をN_effとしたときに、N_eff＝r_AN_A＋r_BN_B（ただし、r_A：媒質１の体積率、r_B：媒質２の体積率、N_A：媒体１の屈折率、N_B：媒質２の屈折率）で表される有効屈折率が異なる層Ａと層Ｂの２層を備え、媒質１の屈折率をＮ_Ａ、媒質２の屈折率をＮ_Ｂとしたときに、Ｎ_Ａ＞Ｎ_Ｂであり、層Ａは媒質２からなり、層Ｂは、媒質１からなる反射防止波長域の最小波長以下の２次元凹凸構造（凸形微細構造３）を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細な２次元凹凸構造を有する反射防止構造、及び該反射防止構造を表面に有する光学部材に関する。

太陽電池や情報機器、固体照明（発光ダイオード等）などの光を利用する機器には、一般のガラスや樹脂と比較して高い屈折率の半導体や基板が用いられている。これら高い屈折率の部材に光が入射、或いは出射する際に界面で生じる反射光は、性能低下の一因となっている。

例えば太陽電池では、屈折率が３．５〜５．４のシリコン半導体が使用されていることが多い。このため、入射光（太陽光）が空気中からシリコンに入射した際に界面で反射が生じることによって、発電機能を持つシリコン内へ入射する光が減衰し、発電効率が低下する。

また、発光ダイオードなどでは、屈折率が２．４〜２．７の窒化ガリウムなどの半導体が用いられることが多い。このため、発光ダイオードで発生した光の一部が界面での反射で閉じ込められることによって、投入電力に対する明るさが低下する。

これら部材の界面で生じる反射光は、空気など周囲の媒質の屈折率と部材の屈折率とが異なることに起因して生じる。これは、屈折率の異なる媒質に光が入射する際に、界面における波の連続性によって入射側へ戻る成分が生じるためであり、「フレネルの公式」によって計算式から厳密に求められる。屈折率の高い材料を用いる場合、周囲物質との屈折率差が大きいために、部材界面での反射の割合が大きくなる。

性部材界面での反射を低減するために、光学部材の表面に反射防止のための薄膜を形成する方法が知られている。薄膜を形成することによって、周囲の物質、薄膜、部材のそれぞれの界面で生じる反射光を干渉させて、入射側へと戻る光の振幅を低減させることができる。

反射防止技術には、ＡＲ（Anti-Reflection）膜が多く採用されている。これは、界面に屈折率の低い材料の薄膜、屈折率の高い材料の薄膜を多層に形成する手法である（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）。非特許文献１には、屈折率が低い材料の薄膜から高い材料の薄膜へと積層する構造の反射防止技術が開示されており、特許文献１には、屈折率の低い材料の薄膜と高い材料の薄膜を交互に積層する構造の反射防止技術が開示されている。

ＡＲ膜の場合、高い反射防止性能を得るための薄膜の屈折率と厚みが存在し、これらは界面を形成する物質の屈折率によって厳密に決定される。一方で薄膜を構成する物質は限定される。このため、実現可能な屈折率が限定され、反射防止性能が得られる波長域が狭くなるため、とくに斜め入射の場合に反射防止性能が低下するなどの問題があった。また、種々の材料を、厚みを制御して積層させるために生産性が低い。

ところで、近年、より優れた反射防止効果を得るために、上記したような光学部材の表面に薄膜をコーティングして反射防止する構造とは原理的に全く異なる技術として、光学部材の表面に光の波長よりも小さい微細構造、いわゆる「モスアイ構造」を形成することによって、擬似的に屈折率を制御して反射防止効果を得る技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

ところで、特許文献２に記載の技術では、原理的に非常に低い反射率を実現可能であるものの、波長よりも小さい構造の形を高さ方向にも制御する必要があることから、量産製造が難しく生産性が低い。また、先端が非常に尖った構造となるために、他の部材や手指等が接触した場合に構造が倒れたり、傷が入ったりするなど強度が低い。

このため、モスアイ構造の強度を向上させるために、構造全体を低い屈折率の材料で被覆する技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。

反射防止膜の特性と最適設計・膜作製技術、技術情報協会、２００２第５章反射防止膜の応用Ｐ２０２〜Ｐ２１８特許第３２４９９９２号公報特表２００８−５０８５５３号公報特開２００５−１８１７４０号公報

ところで、特許文献３に記載の技術では、低い屈折率の材料と空気の界面で反射光が発生する。この反射光成分は、界面に垂直に光が入射した場合は影響が小さいが、界面に斜めに入射した場合は影響が大きく、反射率が上昇する。また、光の波長よりも小さい構造を、高さ方向にも制御して形成する必要があることから、量産製造が難しく生産性が低い。

そこで、本発明は、垂直入射及び斜め入射に対しても低い反射率を得ることができ、かつ製造が容易で、機械的な強度が高い反射防止構造及び該反射防止構造を表面に有する光学部材を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、第１の媒質と空気との境界に設けられた反射防止構造であって、前記反射防止構造は、空気側との略平坦な界面を有し、第２の媒質と前記第１の媒質とによって形成され、前記反射防止構造の有効屈折率をN_effとしたときに、
N_eff＝r_AN_A＋r_BN_B
ただし、r_A：第１の媒質の体積率
r_B：第２の媒質の体積率
N_A：第１の媒体の屈折率
N_B：第２の媒質の屈折率
で表される有効屈折率が異なる２層を備え、前記第１の媒質の屈折率をＮ_Ａ、前記第２の媒質の屈折率をＮ_Ｂとしたときに、Ｎ_Ａ＞Ｎ_Ｂであり、前記２層のうちの前記空気との間で界面を有する第１の層は、前記第２の媒質からなり、前記２層のうちの第１の媒質との間で界面を有する第２の層は、前記第１の媒質からなる反射防止波長域の最小波長以下の２次元凹凸構造を有していることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、前記２次元凹凸構造は前記第２の層の構造を前記第１の媒質と空気との境界に平行な面に投影した場合に、前記第１の媒質の占める面積の割合が１０〜９０％であることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、反射防止波長域の任意の波長をλとして、前記第１の層の有効屈折率をN_eff1、厚みをd₁、前記第２の層の有効屈折率をN_eff2、厚みをd₂としたときに、
d₁＝λ／4N_eff1
d₂＝λ／4N_eff2
であることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、前記第１の媒質の屈折率Ｎ_Ａは２．１より大きく、前記第２の媒質の屈折率Ｎ_Ｂは１．３〜２．０であることを特徴としている。

請求項５に記載の光学部材は、光学部材の前記第１の媒質からなる透光性基材上に、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の反射防止構造を有することを特徴としている。

本発明に係る反射防止構造によれば、目的の波長域にて、垂直入射光や斜め入射光に対して、界面での低い反射率を実現することができる。また、空気との界面に２次元凹凸構造が露出していないので、機械的な強度が高い反射防止構造を提供することができる。

これにより、例えば太陽電池の半導体内に入射する光（太陽光）を増加させ、高い発電効率を得ることが可能となる。また、例えばフォトダイオード内に入射する光を増加させ、高い感度を得ることが可能となる。更に、発光ダイオードなどの固体照明からの出射光を増加させ、高い発光効率を得ることが可能となる。

また、本発明の反射防止構造は、第１の媒質と第２の媒質の体積率によってのみ決定される有効屈折率の異なる２層によって形成され、特殊な異種材料を用いる必要がないため、生産性が高い。また、第１の媒質と第２の媒質の体積率を変化させることによって屈折率を制御でき、特定の材料によって薄膜を形成した場合と比較して高い反射防止効果を得ることが可能である。更に、波長以下の構造の精密制御が要らず、また先端が鋭利な構造を必要としないため、作製が容易で、構造の強度が高い。

本発明の反射防止構造において、空気側の層である第１の層の有効屈折率と第１の媒質側の第２の層の有効屈折率は、第１の媒質の屈折率Ｎ_Ａより小さい必要がある。第１の媒質の屈折率Ｎ_Ａと第２の媒質の屈折率Ｎ_Ｂの関係をＮ_Ａ＞Ｎ_Ｂとすることによって、第１の層の有効屈折率と第２の層の有効屈折率をＮ_ＡとＮ_Ｂの間の任意の値に制御することが可能である。

次に、本発明に係る反射防止構造について説明する前に、例えば図１０に示すような、空気と媒質１の間に媒質２を有する場合の反射防止構造において、反射光を低減できる原理について以下に説明する。

屈折率１．０の空気と媒質２の界面では通常「フレネルの公式」に従った反射光が発生し、光の干渉を利用して、この境界での反射光を低減することができる。

図１０に示すように、空気側から、光の波長と同等程度の厚さの媒質２を通り、媒質１へ光が入射する場合、空気と媒質２の界面、媒質２と媒質１の界面で、それぞれ入射側へ戻る成分Ｉ_１、Ｉ_２が発生する。Ｉ_１、Ｉ_２の波の振幅が同じで、位相が逆になる場合、この２つの成分Ｉ_１、Ｉ_２は打ち消しあい、合成された反射光は低減される。

干渉によって反射光を低減するためには、それぞれの界面で入射側に戻る成分が、干渉によってそれぞれ打ち消しあう振幅を有する必要がある。この振幅は界面を形成している媒質の屈折率によって決まるが、望む振幅が得られる材料を得ることは一般に困難である。

媒質１と媒質２を用いて、反射防止波長域の最小波長以下の構造を設けることによって、通常の物質では実現不可能な、反射防止に効果的な屈折率を得ることが可能である。波長以下の構造では、光はその構造を認識することができず、構造を形成する媒質それぞれの平均的な媒質が存在するものとして振る舞う。

このとき、この平均的な媒質の屈折率は、有効屈折率をN_effとして、以下の式で求められる。
N_eff＝r_AN_A＋r_BN_B
r_A、r_B：媒質１，２の体積率
N_A、N_B：媒質１，２の屈折率

また、干渉の効果は、ベクトル図を用いて説明することができる。前記各界面での入射側に戻る成分を、例えば図１１で示すようなベクトルで表すことができる。このベクトルは、Ｘ軸の正方向からの傾きが波の位相を、長さが振幅を表し、波の重ね合わせはこのベクトルの和で表現される。よって、各界面での入射側に戻る成分をベクトルで表し、和を取ることによって反射光の波の振幅を考えることができる。

図１２（ａ）は、図１０に示した反射防止構造の場合のベクトルを表した図である。この図に示すように、Ｉ_１とI₂が同じ振幅で、逆の位相であるために、反射光はゼロとなる。ここで、Ｉ_１とI₂の振幅は、反射防止構造がない場合を1とするとその半分である。

これに対して、例えば図１２（ｂ）に示した図は、波長が異なる、斜めから入射するなどの反射防止の条件から外れた場合のベクトルを表したものである。この図に示すように、波長が異なる光や、斜めから入射する場合などは、I₁に対してI₂の位相がずれ、合成された波I₁＋I₂が発生する。位相ずれをφとして、I₁＋I₂はsinφ/2（φが十分小さい場合には≒φ/2）である。例えば図１２（ａ）に示した場合の波長より２０％長い波長に対しては、φ＝０．５２rad（≒３０°）、振幅が０．４９/２≒０．２５となり、振幅の２乗である反射率は、反射防止構造を設けていない場合の６％分だけ存在する。

図１２（ｂ）に示すように、異なる波長では位相が異なってくるために、干渉による打ち消し合いが不十分となる。また、斜めの方向からの入射など、光から見た通過距離が異なるにも位相が異なり、反射の低減効果が不十分となる。

これに対し、図１３に示すように、空気と媒質１の間に設ける本発明の反射防止構造は、有効屈折率の異なる２層（層Ａ、層Ｂ）を有することで界面を３つ設け、３つの波の干渉によって打ち消し合いを実現することによって、広い波長域や広い入射角度でも低い反射率を実現することができる。この反射防止構造は、媒質１と媒質２とによって形成されている。

図１３に示すように、空気とこの反射防止構造の境界である界面１、反射防止構造内での有効屈折率の異なる境界である界面２、反射防止構造と媒質１との境界である界面３の３つの界面で、入射側に戻る成分I₁、I₂、I₃が発生する。例えば、ある波長でI₁とI₃は同じ位相、振幅となるように、I₂はI₁と逆の位相、２倍の振幅となるように反射防止構造を制御する。このとき、この波長では、I₁とI₃の和がI₂と打ち消しあい、低い反射率が実現可能である。

以下、本発明の反射防止構造について、図１４に示したベクトル図を用いて、斜め入射光や広い波長域に対しても低い反射率を実現可能であることを説明する。

図１４（ａ）は、図１３に示した反射防止構造に対して、目的とする波長、角度で入射した場合のベクトルを表した図である。図１４（ａ）に示すように、図１３の界面１での波I₂を位相の基準とし、図１３の界面１と界面３での波、I₁とI₃が逆の位相、I₂のベクトルの長さはI₁とI₃の２倍となっており、３つの波の和がゼロになる。ここで、I₂では１/２、I₁とI₃では１/４である。

これに対して、目的とする波長や角度からずれた場合、I₂を基準としてI₁とI₃の位相がずれ、図１４（ｂ）に示すベクトルのような関係になる。このときI₁とI₃の波の和は、I₂よりも（1−cosφ）だけ小さくなり、１/２×（１−cosφ）（φが十分に小さい場合には、≒(φ/２)²）に比例した振幅をもつ反射が発生する。

しかしながら、多くの場合においてφ/２は絶対値が１より小さいため、反射光は低く抑えることができる。例えば、図１４（ａ）の場合における波長より２０％長い波長に対してはφ＝０．５２rad（≒３０°）であり、I₁+I₂+I₃の振幅は、０．１３／２≒(０．５２/２)²＝０．０６６、反射率は反射防止構造を設けていない場合の０．４％に抑えることができる。

また、いわゆる「モスアイ構造」と呼ばれる、段階的に屈折率が変化する反射防止構造の場合は、例えば、図１５（ａ）に示すようなベクトル図で表すことができる。段階的に屈折率が変化していることによって、長さの短いベクトルが各位相で連続的に繋がるが、ここでは、１０のベクトルで代表させている。この場合、長さは１/１０である。

そして、図１５（ａ）から位相がずれた場合には、図１５（ｂ）に示すような関係となる。このとき、連続的に繋がったベクトルの過不足分の面積分だけ、反射の波の振幅が発生する。この面積は、φ/（２π）に比例し、例えば、図１５（ａ）の波長より２０％長い波長に対しては、φ＝０．５２rad（≒３０°）、合成波の振幅は０．５２/（２π）＝０．０８３、反射率は反射防止構造を設けていない場合の０．７％となり、本発明の反射防止構造よりも大きくなる。

本発明の実施形態に係る反射防止構造を有する光学部材を示す概略断面図。本発明の実施形態に係る反射防止構造を有する光学部材を示す概略斜視図。本発明の実施形態の変形例に係る反射防止構造を有する光学部材を示す概略斜視図。本発明の実施例１に係る反射防止構造による反射率の算出結果を示す図。本発明の実施例２に係る反射防止構造による反射率の算出結果を示す図。本発明の比較例１における反射防止構造を有していない光学部材を示す概略斜視図。本発明の比較例１における反射防止構造を有していない場合の反射率の算出結果を示す図。本発明の比較例２における反射防止構造を有する光学部材を示す概略斜視図。本発明の比較例２における反射防止構造による反射率の算出結果を示す図。一般的な反射防止構造による反射率低減の原理を説明するための図。一般的な反射防止構造による反射率低減の原理を説明するための図。一般的な反射防止構造による反射率低減の原理を説明するための図。本発明の反射防止構造による反射率低減の原理を説明するための図。本発明の反射防止構造による反射率低減の原理を説明するための図。モスアイ構造（反射防止構造）による反射率低減の原理を説明するための図。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る反射防止構造を有する光学部材を示す概略側面図、図２は、その斜視図である。

図１、図２に示すように、本実施形態に係る反射防止構造は、光学部材（例えば、太陽電池や固体照明などの半導体基板や、情報機器などに用いられるレンズなど）の透光性基材としての媒質１と空気Ｃとの境界に設けられており、この反射防止構造の有効屈折率をN_effとしたときに、
N_eff＝r_AN_A＋r_BN_B
ただし、r_A：媒質１の体積率
r_B：媒質２の体積率
N_A：媒体１の屈折率
N_B：媒質２の屈折率
で表される有効屈折率が異なる２層（層Ａ，層Ｂ）を備えている。

第１の層としての層Ａは、空気Ｃとの略平坦な界面を有する平坦状の媒質２によって構成されている。第２の層としての層Ｂは、媒質１上に形成した媒質１からなる２次元に配列された凸形微細構造３と、各凸形微細構造３の間に位置する媒質２によって構成されている。このように、凸形微細構造３の全体（上面及び側面）は媒質２によって覆われている。

媒質１の屈折率Ｎ_Ａと媒質２の屈折率Ｎ_Ｂは、Ｎ_Ａ＞Ｎ_Ｂの関係を満たすように設定されている。媒質２の屈折率Ｎ_Ｂは１．３〜２．０の範囲であり、媒質１の屈折率Ｎ_Ａは２．１以上である。

層Ｂの凸形微細構造３は、本実施形態では円柱状に形成されている。また、図３に示すように、媒質１からなる層Ｂに２次元に配列された円形孔状の凹形微細構造３ａを設けてよい。このように凹形微細構造３ａとすることによって、構造の繋がった平坦面が上面にあるため、製造時に傷つき難く、生産性が向上する。更に、円柱状の凸形微細構造３や円形孔状の凹形微細構造３ａ以外にも、例えば、四角柱状の凸形微細構造や四角孔状の凹形微細構造としてもよい。このように、層Ｂは２次元に配列された凹凸構造を有している。

層Ｂの凹凸構造（凸形微細構造３、凹形微細構造３ａ）は、例えば、ガラス、無機物などを用いて、エッチングなどで形成することができる。

層Ｂの凹凸構造（凸形微細構造３、凹形微細構造３ａ）の製造方法としては、例えば、フォトリソグラフィーによるレジストの露光後に、レジストをマスクにしてエッチングする。また、電子線リソグラフィーによるレジストの露光後に、レジストをマスクにしたエッチングを行う。更に、粒子を配列させ、粒子をマスクにしたエッチングを行う。これらの製造方法によって、反射防止波長域の最小波長以下の凹凸構造（凸形微細構造３、凹形微細構造３ａ）を形成することができる。

層Ａは、例えば、別の基板上に形成した薄膜を層Ｂの上に転写することによって形成可能である。薄膜の形成方法は、スピンコートやスパッタ、蒸着など一般的に用いられる方法を用いることが可能である。

層Ｂの凹凸構造（凸形微細構造３、凹形微細構造３ａ）の大きさ（凸部の間隔や凹部の間隔）は、反射防止波長域の最小波長以下に設定されている。なお、層Ｂの凹凸構造の大きさが最小波長以下より大きいと、回折光が発生し、反射率の上昇や着色の原因となる。

層Ｂの凹凸構造（凸形微細構造３、凹形微細構造３ａ）は、生産性や構造の強度に応じて適切な厚さに選択可能であり、例えば、波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの可視光に対しては、最小波長の３８０ｎｍ以下、望ましくは３００ｎｍ以下、更に望ましくは２５０ｎｍ以下の大きさに形成する。

層Ｂの凹凸構造（凸形微細構造３、凹形微細構造３ａ）が３００ｎｍ以下の大きさの場合には、斜め入射光に対しても回折光が生じることはなく、２５０ｎｍ以下の大きさの場合には、周期的な構造であっても幅広い入射角度に対して、回折光が生じない。

なお、層Ｂの２次元に配列される凹凸構造（凸形微細構造３、凹形微細構造３ａ）の周期性に関しては、例えば、フォトリソグラフィーや電子線リソグラフィーによる製造の場合には、規則的な構造の作製が容易である。

反射防止構造を構成する媒質（媒質１、媒質２）としては、例えば以下のような材質（材料）を任意に選択することができる。

媒質１としては、屈折率Ｎ_Ａが２．１より大きい材質を選択することができる。例えば、ＡｌＡｓ（屈折率３．０〜４．０）、ＧａＡｓ（３．７〜５．０）、ＧａＮ（２．４〜２．７）、ＩｎＡｓ（３．０〜４．５）、ＩｎＰ（３．５〜４．４）、Ｓｉ（３．５〜５．４）、ＧａＰ（３．２〜４．４）などの半導体や、ＴｉＯ_２（２．３〜２．７）などの金属酸化物などを用いることができる。

媒質２としては、屈折率Ｎ_Ｂが１．３より大きく屈折率Ｎ_Ａよりも小さい材質の中から、生産性、構造の作製方法、構造の強度などに応じて選択することができる。例えば、ＳｉＯ_２（屈折率１．５）やＭｇＦ_２（１．３８）などの無機物などを用いることができる。この場合、反射防止構造の最表面が硬い材質となるため、強度が高い。

また、媒質２として、エポキシ樹脂（屈折率１．５）、シリコン樹脂（１．５）、アクリル樹脂（１．５）、フッ素樹脂（１．３４）、スチレン樹脂（１．６）、ポリカーボネート樹脂（１．６）などの樹脂を用いることもできる。この場合、塗布などの方法を用いることができるため、低コストで生産性が高い。更に、光感応性の重合開始材を添加するなどして光硬化性の樹脂として用いる、或いは熱硬化性樹脂として用いるなど、製造方法や用途に応じて架橋方法を選択することができる。

層Ａの有効屈折率をＮ_ｅｆｆ１、層Ｂの有効屈折率をＮ_ｅｆｆ２は、空気Ｃの屈折率を１とした場合、媒質１の屈折率Ｎ_Ａに応じて、媒質１と媒質２の屈折率の範囲で調整することができる（１＜Ｎ_ｅｆｆ１＜Ｎ_ｅｆｆ２＜Ｎ_Ａ）。

この場合に、各界面（（空気Ｃと層Ａの界面（以下、「界面１」という）、層Ａと層Ｂの界面（以下、「界面２」という）、層Ｂと媒質１の界面（以下、「界面３」という））において、入射側に戻る成分の振幅が小さく、反射率をより低減させることができる。

更に、層Ａの有効屈折利率N_eff1と層Ｂの有効屈折利率N_eff2を、以下の条件を満足するように設定することが望ましい。
（Ｎ_Ａ ^１／４−１）×０．５＋１＜Ｎ_ｅｆｆ１＜（Ｎ_Ａ ^１／４−１）×１．５＋１
（Ｎ_Ａ ^３／４−１）×０．５＋１＜Ｎ_ｅｆｆ２＜（Ｎ_Ａ ^３／４−１）×１．５＋１
であることが望ましい。

更に望ましくは、層Ａの有効屈折利率N_eff1と層Ｂの有効屈折利率N_eff2を、以下の条件を満足するように設定する。
（Ｎ_Ａ ^１／４−１）×０．８＋１＜Ｎ_ｅｆｆ１＜（Ｎ_Ａ ^１／４−１）×１．３＋１
（Ｎ_Ａ ^３／４−１）×０．８＋１＜Ｎ_ｅｆｆ２＜（Ｎ_Ａ ^３／４−１）×１．３＋１

そして、最も望ましい層Ａの有効屈折利率N_eff1と層Ｂの有効屈折利率N_eff2のうちの一つは、以下の条件を満足することである。
（Ｎ_Ａ ^１／４−１）×０．９＋１＜Ｎ_ｅｆｆ１＜（Ｎ_Ａ ^１／４−１）×１．１＋１
（Ｎ_Ａ ^３／４−１）×０．９＋１＜Ｎ_ｅｆｆ２＜（Ｎ_Ａ ^３／４−１）×１．１＋１

このように、層Ａの有効屈折利率N_eff1と層Ｂの有効屈折利率N_eff2を最も望ましい条件に設定することにより、界面１と界面３での入射側に戻る成分の振幅がほぼ等しく、界面２で入射側に戻る成分の振幅が、界面１の倍となる。この場合、界面１と界面２の合成波を界面２と打ち消し合わせることができ、低い反射率を実現することが可能である。

更に、最も望ましい層Ａの有効屈折利率N_eff1と層Ｂの有効屈折利率N_eff2のもう一つは、以下の条件を満足することである。
（Ｎ_Ａ ^１／４−１）×１．０１＋１＜Ｎ_ｅｆｆ１＜（Ｎ_Ａ ^１／４−１）×１．３＋１
Ｎ_ｅｆｆ２＝Ｎ_Ａ・Ｎ_Ｂ／Ｎ_ｅｆｆ１

この条件を満足する場合には、界面１と界面３での入射側に戻る成分の振幅がほぼ等しく、界面２で入射側に戻る成分の振幅の１／２よりも僅かに大きくなる。この場合、斜め入射光や異なる波長に対して、界面１と界面３の合成波を界面２と打ち消し合わせることができ、幅広い波長や角度に対して低い反射率を実現することが可能である。

また、本実施形態における反射防止構造において、層Ｂの構造を媒質１と空気Ｃとの境界に平行な面に投影した場合に、層Ｂのうちの媒質１（凹凸構造（凸形微細構造３、凹形微細構造３ａ）の占める面積の割合が１０〜９０％となるように設定する。層Ｂのうちの媒質１の占める割合をこの範囲とすることによって、反射率の低減に必要な有効屈折率を得ることが可能である。また、層Ｂの強度を高めることが可能である。

層Ｂにおける媒体１の占める面積の割合が１０％より小さく、９０％より大きいと、反射防止に必要な屈折率差が得られない。また、望ましくは、層Ｂにおける媒体１の占める面積の割合が、層Ｂに関しては２０〜７０％の範囲とすることで、高い反射防止効果が得られる。更に望ましくは、層Ｂにおける媒体１の占める面積の割合が、２０〜５０％の範囲とすることで、より高い反射防止効果が得られる。

また、本実施形態における反射防止構造において、層Ａの有効屈折利率をN_eff1、厚みをd₁、層Ｂの有効屈折利率をN_eff2、厚みをd₂、反射防止波長域の任意の波長をλとした場合、d₁、d₂が以下の条件を満足するように設定した。
d₁=λ／4N_eff1
d₂=λ／4N_eff2

このように、この場合は層Ａと層Ｂの厚みd₁、d₂が、それぞれその媒体内での波長の1/4に相当する反射防止構造である。層Ａと層Ｂの厚さを波長の1/4とすることによって、図１３に示したように、目的の波長で界面１、界面３と、界面２との位相を反転することができ、反射率を低減することが可能である。

このように、本実施形態の反射防止構造によれば、異なる波長の光や斜め入射の光に対しても低い反射率を得ることができ、かつ製造が容易で、機械的な強度が高い反射防止構造を提供することができる。

また、本実施形態の反射防止構造を有する光学部材によれば、高い反射防止効果を得ることができる光学部材を提供することができる。このように、本発明の反射防止構造を有する光学部材は表面の反射を低く抑えることができるために、例えば照明や太陽電池、表示素子、情報機器などの高効率化、高品位化、低ノイズ化を実現することが可能となる。なお、ここで光学部材とは、例えば太陽電池や固体照明などの半導体基板や、情報機器などに用いられるレンズなどが挙げられる。

次に、本発明の反射防止構造による反射率の低減効果を評価するために、以下に示す実施例１、２と比較用の比較例１、２の反射防止構造を作製した。

なお、反射率の低減効果を評価するために、RCWA(厳密結合波解析)法による電磁波解析シミュレーションソフトDiffract MOD（R-Soft社）を用いて、反射率計算を行った。

この反射率計算における条件を、以下のように設定した。
反射防止波長域：３８０〜７８０ｎｍ（空気側から入射する光は可視光）
入射光は空気中から媒質１（光学部材の透光性基材）側へ入射し、空気と媒質１の界面の法線方向に対して入射角を０°、４０°、６０°とした場合の、３８０〜７８０ｎｍの波長範囲での反射率の平均値を算出した。

〈実施例１〉
実施例１では、図２に示した反射防止構造において、層Ｂの２次元に配列された凸形微細構造３は、媒体１としてのＳｉで形成された周期１００ｎｍ、高さ５０ｎｍ、幅７５ｎｍの円柱状構造体である。層Ｂの凸形微細構造３の周囲には媒質２としての樹脂が充填されている。

層Ａは、媒質２としての樹脂（厚さ：９１ｎｍ）によって形成されている。なお、媒体１としてのＳｉの屈折率Ｎ_Ａは４．０であり、媒質２としての樹脂の屈折率Ｎ_Ｂは１．４１である。

図４は、実施例１における反射率の算出結果を示す図である。この算出結果から明らかなように、実施例１の反射防止構造では、斜め方向から入射した場合でも低反射率を実現できる。よって、例えば太陽電池等に用いた場合に、反射によって損失する光が減少するため、高い発電効率が得られる。

〈実施例２〉
実施例２では、図３に示した反射防止構造において、層Ｂの２次元に配列された凹形微細構造３ａは、媒体１としてのＳｉで形成された周期１００ｎｍ、深さ４９ｎｍ、幅７８ｎｍの円形孔状構造体である。

層Ａは、媒質２としての樹脂（厚さ：９７ｎｍ）によって形成されている。なお、媒体１としてのＳｉの屈折率Ｎ_Ａは４．０であり、媒質２としての樹脂の屈折率Ｎ_Ｂは１．４１である。

図５は、実施例２における反射率の算出結果を示す図である。この算出結果から明らかなように、実施例２の反射防止構造では、界面の法線方向や斜め方向から入射した場合でも幅広い波長域で低反射率を実現できる。よって、例えば太陽電池等に用いた場合に、反射によって損失する光が減少するため、高い発電効率が得られる。また、フォトダイオードなど受光素子に用いた場合に、幅広い範囲で高い感度が得られる。

〈比較例１〉
比較例１では、図６に示すように、光学部材の透光性基材としての平坦状のＳｉからなる媒質１に可視光を入射させた場合である（この媒質１上に反射防止構造を有していない）。なお、媒体１としてのＳｉの屈折率Ｎ_Ａは４．０である。

図７は、比較例１における反射率の算出結果を示す図である。この算出結果から明らかなように、界面の法線方向や斜め方向からの入射光に対して表面での反射率が高い。よって、例えば太陽電池として用いた場合には、この反射率の分だけ効率が低下する。

〈比較例２〉
比較例２では、図８に示すように、Ｓｉからなる媒体１上に同じ媒体で高さ３００ｎｍ、直径１００ｎｍの先端が砲弾状に突起した円錐状のモスアイ構造１０を形成した。なお、媒体１としてのＳｉの屈折率Ｎ_Ａは４．０である。

図９は、比較例２における反射率の算出結果を示す図である。この算出結果から明らかなように、比較例１の場合よりも反射率低減効果が得られるが、特に斜め方向からの入射光に対しては反射率低減効果が不十分である。よって、例えば太陽電池などの効率低下を招く。更に、このモスアイ構造１０は、表面先端が鋭利な構造が存在するため、構造の崩れなどによる性能低下や外観品位の低下を招く。

１媒体（第１の媒体）
２媒体（第２の媒体）
３凸形微細構造（２次元凹凸構造）
３ａ凹形微細構造（２次元凹凸構造）
Ａ層（第１の層）
Ｂ層（第２の層）

Claims

第１の媒質と空気との境界に設けられた反射防止構造であって、
前記反射防止構造は、空気側との略平坦な界面を有し、第２の媒質と前記第１の媒質とによって形成され、前記反射防止構造の有効屈折率をN_effとしたときに、
N_eff＝r_AN_A＋r_BN_B
ただし、r_A：第１の媒質の体積率
r_B：第２の媒質の体積率
N_A：第１の媒体の屈折率
N_B：第２の媒質の屈折率
で表される有効屈折率が異なる２層を備え、
前記第１の媒質の屈折率をＮ_Ａ、前記第２の媒質の屈折率をＮ_Ｂとしたときに、Ｎ_Ａ＞Ｎ_Ｂであり、
前記２層のうちの前記空気との間で界面を有する第１の層は、前記第２の媒質からなり、
前記２層のうちの第１の媒質との間で界面を有する第２の層は、前記第１の媒質からなる反射防止波長域の最小波長以下の２次元凹凸構造を有していることを特徴とする反射防止構造。
前記２次元凹凸構造は、前記第２の層の構造を前記第１の媒質と空気との境界に平行な面に投影した場合に、前記第１の媒質の占める面積の割合が１０〜９０％であることを特徴とする請求項１に記載の反射防止構造。
反射防止波長域の任意の波長をλとして、前記第１の層の有効屈折率をN_eff1、厚みをd₁、前記第２の層の有効屈折率をN_eff2、厚みをd₂としたときに、
d₁＝λ／4N_eff1
d₂＝λ／4N_eff2
であることを特徴とする請求項１又は２に記載の反射防止構造。
前記第１の媒質の屈折率Ｎ_Ａは２．１より大きく、前記第２の媒質の屈折率Ｎ_Ｂは１．３〜２．０であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の反射防止構造。
光学部材の前記第１の媒質からなる透光性基材上に、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の反射防止構造を有することを特徴とする光学部材。