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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das technische Gebiet der Bildschirme. Die Offenbarung betrifft insbesondere einen berührungsempfindlichen Bildschirm, etwa zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
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Hintergrund
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Der Benutzungskomfort und die Sichtbarkeit einer Bildschirmanzeige aber auch das Erscheinungsbild eines Bildschirms im ausgeschalteten Zustand hängen zumeist von den vorherrschenden Lichtverhältnissen ab. Reflektionen von Umgebungslicht an der Bildschirmoberfläche wirken sich dabei störend für einen Betrachter aus. Dies gilt vor allem, wenn es sich dabei um sogenannte Glares, das heißt um Spiegelungen von intensivem lokalem Lichteinfall, in Richtung des Betrachters handelt. Aber auch diffuse Streuung von Umgebungslicht an der Oberfläche eines Bildschirms hat in der Regel einen nachteiligen Einfluss auf die Wahrnehmbarkeit und das ästhetische Erscheinungsbild der Bildschirmanzeige und des Bildschirms.
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Bei der Verwendung von tragbaren Bildschirmgeräten, wie etwa Notebooks oder Mobiltelefonen, sowie von Geräten im Haushalt ist es dem Benutzer oft auf einfache Weise möglich, die umgebenden Lichtverhältnisse zu beeinflussen oder durch leichtes Schwenken des Geräts besonders störende Reflektionen abzustellen. Diese Möglichkeiten bestehen jedoch nur sehr begrenzt bei fest oder abnehmbar installierten Anzeigen in Fahrzeugen, wie etwa bei Navigationsinstrumenten oder Tablet-PCs. Während häufige Änderungen der Umgebung oder der Fahrzeuglage zu einem ständigen Wechsel der umgebenden Lichtverhältnisse führen können, ist zugleich ein entsprechend häufiges Anpassen an die wechselnden Lichtverhältnisse, etwa durch ein Ändern der Ausrichtung der installierten Geräte durch den Fahrer oder Beifahrer, oftmals nicht möglich und allgemein auch nicht wünschenswert.
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Schon seit Längerem sind Möglichkeiten zur Verringerung störender Reflektionen an Bildschirmoberflächen bekannt. Dazu zählen Antireflektionsbeschichtungen sowie Maßnahmen zur Vermeidung von Glares, wie etwa spezielle Anti-Glare-Beschichtungen oder ein Aufrauen der Oberfläche, wodurch einfallendes Licht nicht gespiegelt sondern diffus gestreut wird.
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In bisherigen Realisierung erscheinen aufgeraute Bildschirmoberflächen durch die passive Streuung von Umgebungslicht bei ausgeschalteter Anzeige oft gräulich, was von vielen Anwendern als wenig ansehnlich empfunden wird. Zugleich sind Anti-Glare- und Antireflektionsbeschichtungen wegen ihrer Empfindlichkeit für Fingerabdrücke und ihrer mangelnden Kratzfestigkeit nur bedingt für einen Gebrauch in berührungsempfindlichen Bildschirmen, wie sie an Tablet-PCs und Fahrzeuginstrumenten verbreitet sind, verwendbar.
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Kurzer Abriss
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Es ist daher ein berührungsempfindlicher Bildschirm mit guten haptischen Eigenschaften insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug anzugeben, der eine geringe Reflektion von Umgebungslicht aufweist.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein berührungsempfindlicher Bildschirm insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug angegeben. Der Bildschirm umfasst eine starre Deckschicht mit einer aufgerauten Oberfläche, eine Polarisationsschicht, die unterhalb der starren Deckschicht angeordnet ist, eine Berührungssensorschicht, die unterhalb der Polarisationsschicht angeordnet ist, und eine Anzeige des berührungsempfindlichen Bildschirms.
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Die Dicke der starren Deckschicht kann dabei zwischen 0,2 und 1,8 Millimeter, beispielsweise zwischen 0,55 und 1,1 Millimeter, betragen. Die Dicke der Polarisationsschicht kann zwischen 185 und 425 Mikrometer, beispielsweise zwischen 250 und 400 Mikrometer, betragen.
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Die Oberfläche der starren Deckschicht kann eine Rauheit zwischen Sa = 0,1 und 2 Mikrometer. Alternative oder zusätzlich hierzu kann für die Rauheit –2 < Ssk < 2 und/oder –3,5 < Sku < 3,5 gelten. Beispielsweise kann die Rauheit zwischen Sa = 0,2 und 0,25 Mikrometer (beispielsweise mit –0,2 < Ssk < 0,2 und/oder mit Sku zwischen 2,0 und 3,5) betragen. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Profiltiefe der Oberflächenrauheit zwischen 2 und 30 Mikrometer, beispielsweise zwischen 4 und 12 Mikrometer, betragen.
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Die Rauheit kann dabei der Auflösung der Bildschirmanzeige nach subjektivem Ermessen auf Grundlage des Oberflächenglanzes angepasst sein. So kann eine höhere Auflösung mit einer geringeren Rauheit einhergehen. Die Rauheit kann dabei einem Glanz zwischen 20 und 30 Gloss Units, GU, entsprechen.
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Die Rauheit kann durch Ätzen und/oder Sandstrahlen erzielt werden. Zusätzlich oder alternativ hierzu ist auch ein Abformen der starren Deckschicht (z. B. mittels geeigneter Pressstempel) möglich. Die Oberfläche der starren Deckschicht kann außerdem eine Anti-Fingerabdruck-Beschichtung aufweisen. Die Dicke der Anti-Fingerabdruck-Beschichtung kann zwischen 3 und 15 Nanometer betragen.
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Die starre Deckschicht kann Glas enthalten. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann die starre Deckschicht Kunststoff, zum Beispiel Polycarbonat, Polyethylenterephthalat oder Polymethylmethacrylat, umfassen. Die starre Deckschicht kann Verbundglas und/oder chemisch vorgespanntes Glas umfassen.
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Die Polarisationsschicht kann einen linearen oder zirkularen Polarisator enthalten. Der zirkulare Polarisator kann einen linearen Polarisator und eine darunter angeordnete λ/4-Schicht für eine Wellenlänge im sichtbaren Lichtspektrum umfassen. Zusätzlich kann unterhalb der Polarisationsschicht eine λ/2-Schicht angeordnet sein. Für Wellenlängen, die von einer Bezugswellenlänge (von z. B. 550 Nanometer) der λ/4-Schicht abweichen, kann die λ/2-Schicht der Kompensation von wellenlängenabhängigen Eigenschaften der λ/4-Schicht dienen.
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Die Berührungssensorschicht kann einen induktiven, resistiven oder kapazitiven Berührungssensor umfassen. Ferner kann die Berührungssensorschicht in Abhängigkeit von dem/den verwendeten Polarisator(en) auf einem isotropischen Plastikfilm aufgebracht sein.
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Der berührungsempfindliche Bildschirm kann eine zweite Polarisationsschicht, die unterhalb der Berührungssensorschicht angeordnet ist, umfassen. Die zweite Polarisationsschicht kann einen linearen oder zirkularen Polarisator aufweisen.
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Bei dem berührungsempfindlichen Bildschirm können nach fünfhundertstündiger ununterbrochener Einwirkung einer Umgebungstemperatur von 60°C bei einer relativen Luftfeuchtigkeit zwischen 92 und 95% und/oder nach fünfhundertstündiger ununterbrochener Einwirkung einer Umgebungstemperatur von 95°C die Polarisationseigenschaften jeder Polarisationsschicht und die Position jeder Polarisationsschicht im Bildschirm keine signifikante Beeinträchtigungen aufweisen. Damit können diese Komponenten maßgebliche Qualitätsanforderungen an eine Verwendung in einem Kraftfahrzeug erfüllen.
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Die Berührungssensorschicht kann mit der darüber liegenden Polarisationsschicht durch Optical Bonding verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Berührungssensorschicht mit der darunterliegenden Schicht durch Optical Bonding verbunden oder von dieser durch einen Luftspalt getrennt sein.
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Der berührungsempfindliche Bildschirm kann Bestandteil eines Instruments oder Instrumentensystems (einschließlich eines Infotainmentsystems, eines Navigationssystems und/oder eines Cockpitsystems) in einem Kraftfahrzeug sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der berührungsempfindliche Bildschirm Bestandteil eines Tablet-PCs zur Installation in einem Kraftfahrzeug sein. Der Tablet-PC kann dabei fest oder abnehmbar im Fahrzeug installiert sein.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Tablet-PC vorgestellt, umfassend den hier vorgestellten berührungsempfindlichen Bildschirm.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der hier beschriebenen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie aus den Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels für einen berührungsempfindlichen Bildschirm mit obenliegender starrer Deckschicht sowie darunter liegendem Polarisator, wobei die Oberfläche der starren Deckschicht aufgeraut ist; und
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels für einen berührungsempfindlichen Bildschirm mit zwei Polarisatoren unterhalb der starren Deckschicht.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels für einen berührungsempfindlichen Bildschirm 100, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich um einen Personenkraftwagen handeln, aber auch um ein Schienen- oder Luftfahrzeug.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der berührungsempfindliche Bildschirm 100 eine starre Deckschicht 102 mit einer aufgerauten Oberfläche 101 und einer Schichtdicke von ca. 0,8 Millimeter, eine Polarisationsschicht 104 mit einer Dicke von 375 Mikrometer, die unterhalb der starren Deckschicht 102 angeordnet ist, eine Berührungssensorschicht 106, die unterhalb der Polarisationsschicht 104 angeordnet ist, und eine Anzeige 108 des berührungsempfindlichen Bildschirms 100. Die genannten Schichten sind jeweils durch Kleberschichten, umfassend eine erste 103, eine zweite 105 und eine dritte Kleberschicht 107, miteinander verbunden.
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Zur Vermeidung von Spiegelungen ist die Oberfläche 101 der starren Deckschicht 102 aufgeraut. Dies führt außerdem zu einer Verbesserung der haptischen Eigenschaften der Oberfläche 101, da bei einer Berührung des Bildschirms ein Finger leichter über eine aufgeraute Oberfläche fährt (und damit eine präzisere Steuerung der Berührungsfunktion möglich ist), als auf einer hochglänzenden, das heißt glatten, und eventuell mit einer optischen Beschichtung versehenen Oberfläche, auf der ein Finger bei einer Bewegung oftmals zu haften scheint.
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Da das Aufraumen der Oberfläche 101 auch Auswirkungen auf das transmittierte Licht der Anzeige 108 hat, ist zur Optimierung der Bildschirmanzeige die gewählte Rauheit der Auflösung der Anzeige 108 angepasst. Hierbei hat sich eine mittlere Rauheit von Sa = 0,2 und 0,25 mit –0,2 < Ssk < 0,2 und mit 2,8 < Sku < 3,2 bewährt, jedoch sind positive Resultate für einen weiteren Rauheitsbereich ungefähr zwischen Sa = 0,1 und 2 Mikrometer mit –2 < Ssk < 2 und/oder mit –3,5 < Sku < 3,5 sowie für eine Profiltiefe Sz zwischen 2 und 30 Mikrometer zu erzielen.
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Die Rauheit kann dabei der Auflösung der Bildschirmanzeige nach subjektivem Ermessen auf Grundlage des Oberflächenglanzes angepasst sein. So geht eine höhere Auflösung üblicherweise mit einer geringeren Rauheit einher. Dabei hat sich eine Rauheit, die einem Glanz zwischen 20 und 30 Gloss Units, GU, entspricht, bewährt.
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Diese Rauheit wird im Ausführungsbeispiel durch Ätzen der starren Deckschicht 102 erzielt. Sandstrahlen und/oder Abformen der starren Deckschicht 102 aus einer Fertigungsform mit aufgerauter Fläche sind jedoch ebenfalls mögliche Herstellungsverfahren. Die haptischen Eigenschaften der rauen Oberfläche 101 lassen sich zudem durch Aufbringen einer Anti-Fingerabdruckbeschichtung (nicht dargestellt) weiter verbessern.
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Durch die oben liegende starre Deckschicht 102 weist der berührungsempfindliche Bildschirm 100 u. U. Verletzungsrisiken bei einer Installation im Kraftfahrzeug auf, wenn die starre Deckschicht 102 aus herkömmlichem Glas besteht. Die Unfallsicherheit des Bildschirms 100 lässt sich wirksam erhöhen, wenn als Material für die starre Deckschicht 102 Kunststoff (wie beispielsweise Polycarbonat, Polyethylenterephthalat oder Polymethylmetacrylat), Verbundglas oder chemisch vorgespanntes Glas verwendet wird. Die Brucheigenschaften der starren Deckschicht 102 lassen sich dabei zugleich durch die gewählte Dicke der starren Deckschicht 102 beeinflussen. Es hat sich gezeigt, dass durch die beschriebene Rauheit der Oberflächenschicht 101 sowie durch Aufbringen einer Anti-Fingerabdruckbeschichtung (z. B. mit einer Schicktdicke von ca. 10 Nanometer) auch bei einer Verwendung von Kunststoff als Material für die starre Deckschicht 102 sehr gute haptische Eigenschaften erzielt werden können.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 dient die Polarisationsschicht 104 unterhalb der starren Deckschicht 102 dazu, einfallendes Licht zu absorbieren. Dabei zeigt die Verwendung zirkularer Polarisatoren, umfassend einen linearen Polarisator in Verbindung mit einer darunter liegenden λ/4-Schicht für eine Wellenlänge im mittleren sichtbaren Lichtspektrum, bereits sehr gute Ergebnisse. Diese lassen sich noch verbessern, insbesondere in Bezug auf ein verbreitertes Absorptionsspektrum, wenn unterhalb der λ/4-Schicht der Polarisationsschicht 104 außerdem eine λ/2-Schicht angeordnet wird. Damit lässt sich insbesondere der übliche Rot- bzw. Blauschimmer von Bildschirmen bei ausgeschalteter Anzeige 108 stark vermindern.
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Die Berührungssensorschicht 106 kann in Abhängigkeit von der verwendeten Polarisationsschicht 104 auf einem isotropischen Plastikfilm aufgebracht sein. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Berührungssensorschicht 106 mittels zweiter 105 und dritter Kleberschicht 107 fest zwischen der Polarisationsschicht 104 und der Anzeige 108 des berührungsempfindlichen Bildschirms 100 eingebettet. Während eine solche Verklebung der Berührungssensorschicht 106 sowohl nach oben wie auch nach unten den optischen und mechanischen Eigenschaften des Bildschirms 100 zuträglich ist, könnte in einer alternativen Ausführungsform die dritte Kleberschicht 107 auch ausgelassen und durch einen Luftspalt ersetzt werden. Dies würde die Herstellung des berührungsempfindlichen Bildschirms 100 vereinfachen. Außerdem kann zur Verbesserung der optischen Eigenschaften jede der verwendeten Kleberschichten 105, 107 durch Optical Bonding realisiert sein, das heißt durch eine Verbindung, die störende optische Grenzschichtphänomene zwischen den Schichten minimiert.
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Die Berührungssensorschicht 106 enthält im Ausführungsbeispiel einen kapazitiven Berührungssensor. Alternative Ausführungsformen können jedoch auch andere Sensorarten vorsehen. Zudem handelt es sich bei der Anzeige 308 um ein Flüssigkristall-Panel. Auch hier können jedoch alternative Ausführungsformen andere Anzeigensysteme (z. B. OLED-Panele) vorsehen.
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Eine Verwendung des in 1 dargestellten berührungsempfindlichen Bildschirms 100 zur Installation in einem Kraftfahrzeug verlangt eine hohe Resistenz gegenüber extremen Temperaturen und Temperaturschwankungen sowie gegenüber hoher Feuchtigkeit und Feuchtigkeitsschwankungen. Anforderungen an Bildschirme zur serienmäßigen Installation in Kraftfahrzeugen sehen dabei vor, dass die optischen und mechanischen Eigenschaften des Bildschirms und seiner Komponenten, insbesondere der Polarisatoren, auch nach wenigstens 500-stündiger ununterbrochener Einwirkung einer Umgebungstemperatur von 60° Celsius bei einer relativen Luftfeuchtigkeit zwischen 92 und 95 Prozent oder nach wenigstens 500-stündiger ununterbrochener Einwirkung einer Umgebungstemperatur von 95° Celsius keine wahrnehmbaren Beeinträchtigungen aufweisen. Für eine Installation des berührungsempfindlichen Bildschirms 100 in einem Kraftfahrzeug sind daher die Bildschirmkomponenten sowie ihre Verarbeitung zum Bildschirm 100 vorzugsweise so zu wählen, dass sie den genannten Anforderungen genügen. Es versteht sich, dass auch alternative oder zusätzliche Anforderungen gestellt werden können.
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Dem in 1 dargestellten berührungsempfindlichen Bildschirm 100 wird wegen der haptischen Vorzüge ein Bildschirmaufbau mit oben liegender starrer Deckschicht 102 zugrunde gelegt, während zugleich die aus diesem Aufbaukonzept bekannten Nachteile einer hohen Oberflächenreflektivität durch ein entsprechendes Aufrauen der Oberfläche behoben werden. Während für eine Verwendung dieses Bildschirms 100 in einem Kraftfahrzeug Verletzungsgefahren durch eine besondere Materialwahl für die starre Deckschicht 102 ausgeschlossen werden, hat sich zugleich gezeigt, dass sich diese Materialien durch die genannte Strukturierung der Oberfläche 101 nicht nachteilhaft auf das haptische Empfinden bei einer Benutzung der Berührungsfunktion des Bildschirms 100 auswirkt. Vielmehr lässt sich insbesondere durch ein zusätzliches Auftragen einer Anti-Fingerabdruckbeschichtung ein erheblich leichteres Gleiten des Fingers über die Oberfläche 101 erzielen, als dies bei hochglänzenden Bildschirmoberflächen der Fall ist. Zudem hat sich gezeigt, dass das Zusammenwirken von aufgerauter Oberfläche 101 mit einem darunterliegenden zirkularen Polarisator (vgl. Schicht 104), der zudem um eine darunter angeordnete λ/2-Schicht ergänzt werden kann, zu einem tiefschwarzen Erscheinungsbild des berührungsempfindlichen Bildschirms 100 bei ausgeschalteter Anzeige 108 führt.
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Durch die beschriebenen Eigenschaften des berührungsempfindlichen Bildschirms 100 ist dieser insbesondere als Bestandteil eines Instruments oder Instrumentensystems in einem Kraftfahrzeug, wie zum Beispiel eines Infotainmentsystems oder eines Navigationssystems geeignet. Auch ist der Bildschirm 100 auch als Bestandteil eines Kraftfahrzeug-Cockpitsystems (z. B. zur Anzeige von Geschwindigkeit und/oder Motordrehzahl) und/oder Tablet-PCs zur Installation in einem Kraftfahrzeug geeignet. Die Unfallsicherheit des vorgestellten Bildschirms 100 ermöglicht dabei insbesondere eine Installation im bevorzugten Sichtbereich, unmittelbar vor dem Sitzplatz eines Fahrzeuginsassen (z. B. auf der Rückseite eines Fahrer- und/oder Beifahrersitzes). Weitere Anwendungsgebiete des berührungsempfindlichen Bildschirms 100 werden hierdurch jedoch nicht ausgeschlossen.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels für einen berührungsempfindlichen Bildschirm 200 zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Entsprechend dem berührungsempfindlichen Bildschirm 100 von 1 umfasst auch der berührungsempfindliche Bildschirm 200 von 2 eine starre Deckschicht 202 mit aufgerauter Oberfläche 201, die mittels einer ersten Kleberschicht 203 mit einer darunterliegenden Polarisationsschicht 204 verbunden ist, die wiederum durch eine zweite Kleberschicht 205 mit einer Berührungssensorschicht 206 verbunden ist. Abweichend vom berührungsempfindlichen Bildschirm 100 gemäß 1 umfasst der Bildschirm 200 von 2 jedoch unterhalb der Berührungssensorschicht 206 noch eine zweite Polarisationsschicht 209 die durch eine dritte 207 und vierte Kleberschicht 210 zwischen der Berührungssensorschicht 206 und der Anzeige 208 des Bildschirms 200 eingebettet ist.
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Es hat sich gezeigt, dass die zweite Polarisationsschicht 209, die wiederum einen zirkularen Polarisator umfassen kann, die Reflektionseigenschaften gegenüber dem Bildschirm 100 von 1 dahingehend weiter verbessert, als der Bildschirm 200 bei ausgeschalteter Anzeige 208 ein tiefschwarzes Erscheinungsbild aufweist. Insbesondere werden die sonst üblichen Farbschimmer auf ein nicht mehr wahrnehmbares Maß reduziert.
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Die Wirkungsweise der vorgestellten berührungsempfindlichen Bildschirme 100, 200 beruht u. a. auf einem Zusammenwirken von der Beschaffenheit (z. B. Rauigkeit) der Oberfläche 101, 201 und dem Material der starren Deckschicht 102, 202 mit Absorptionseigenschaften darunterliegender Polarisationsschichten 104, 204, 209 sowie der Verbindung der Schichten miteinander. Es ist ersichtlich, dass abweichend von den vorgestellten Ausführungsbeispielen die vorgestellte Wirkungsweise auch durch alternative Ausführungsformen, insbesondere durch Einbringen weiterer Materialschichten in den Bildschirmaufbau, erzielt werden kann.
