DE102023206718B3 - Head-up-Display für ein Fortbewegungsmittel - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Head-up-Display (1) für ein Fortbewegungsmittel. Die Erfindung betrifft zudem ein Fortbewegungsmittel mit einem solchen Head-up-Display (1). Das Head-up-Display (1) weist eine bildgebende Einheit (10) und eine Projektionsoptik (17) auf. Die bildgebende Einheit (10) hat zwei Anzeigevorrichtungen (11R, 11L) zum Erzeugen eines ersten Bildes (BR) für ein rechtes Auge eines Betrachters (3) und eines zweiten Bildes (BL) für ein linkes Auge des Betrachters (3). Die zwei Anzeigevorrichtungen (11R, 11L) sind jeweils in drei Raumrichtungen relativ zu einem Vergrößerungspfad des Head-up-Displays (1) verschiebbar. Die Projektionsoptik (17) ist eingerichtet zum Abbilden des ersten Bildes (BR) in eine erste Bildebene und zum Abbilden des zweiten Bildes (BL) in eine zweite Bildebene. Die erste Bildebene und die zweite Bildebene liegen als freie Fokusebenen in einem Schacht (16) direkt in der Luft.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Head-up-Display für ein Fortbewegungsmittel. Die Erfindung betrifft zudem ein Fortbewegungsmittel mit einem solchen Head-up-Display.
  • Unter einem Head-up-Display, auch als HUD bezeichnet, wird ein Anzeigesystem verstanden, bei dem der Betrachter seine Blickrichtung beibehalten kann, da die darzustellenden Inhalte in sein Sichtfeld eingeblendet werden. Während derartige Systeme aufgrund ihrer Komplexität und Kosten ursprünglich vorwiegend im Bereich der Luftfahrt Verwendung fanden, werden sie inzwischen auch im Automobilbereich in Großserie verbaut.
  • Head-up-Displays bestehen im Allgemeinen aus einer bildgebenden Einheit bzw. PGU (Picture Generating Unit), einer Optikeinheit und einer Spiegeleinheit. Die bildgebende Einheit erzeugt das Bild und nutzt dazu zumindest ein Anzeigeelement. Die Optikeinheit leitet das Bild auf die Spiegeleinheit. Die Spiegeleinheit ist eine teilweise spiegelnde, lichtdurchlässige Scheibe. Der Betrachter sieht also die von der bildgebenden Einheit dargestellten Inhalte als virtuelles Bild und gleichzeitig die reale Welt hinter der Scheibe. Als Spiegeleinheit dient im Automobilbereich oftmals die Windschutzscheibe, deren gekrümmte Form bei der Darstellung berücksichtigt werden muss. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit und Spiegeleinheit ist das virtuelle Bild eine vergrößerte Darstellung des von der bildgebenden Einheit erzeugten Bildes.
  • Der Betrachter kann das virtuelle Bild nur aus der Position der sogenannten Eyebox betrachten. Als Eyebox oder Betrachterfenster wird ein Bereich bezeichnet, dessen Höhe und Breite einem theoretischen Sichtfenster entspricht. So lange sich ein Auge des Betrachters innerhalb der Eyebox befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes für das Auge sichtbar. Befindet sich das Auge hingegen außerhalb der Eyebox, so ist das virtuelle Bild für den Betrachter nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Derzeit verfügbare Head-up-Displays nutzen eine einzelne große Eyebox, innerhalb derer sich der Kopf des Betrachters bewegen kann und der Betrachter mit beiden Augen das gleiche flache, zweidimensionale Bild sieht. Ein pseudo-3D-Effekt lässt sich gegebenenfalls durch autostereoskopische Ansätze erreichen.
  • Vor diesem Hintergrund beschreibt DE 37 12 170 A1 ein stereoskopisches Display-System. Das Display-System weist mindestens zwei Display-Elemente, eine Abbildungsoptik mit einer der Anzahl der Display-Elemente entsprechenden Anzahl von Abbildungselementen zur Erzeugung einer gleichen Anzahl reeller Zwischenbilder und mindestens eine Lupe zur Erzeugung eines reellen Bildes der Aperturblenden der Abbildungselemente im Augenbereich des Betrachters auf.
  • DE 10 2013 218 085 A1 beschreibt ein Head-up-Display zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug mit einer Bilderzeugungseinrichtung, die ein reales Bild erzeugt, wobei die Lichtstrahlen des realen Bildes zu einem Combiner gelangen und so einen Strahlengang bilden und von dort in Richtung eines Beobachters reflektiert werden, so dass der Beobachter ein virtuelles Bild hinter dem Combiner außerhalb des Kraftfahrzeuges wahrnehmen kann. Die Bilderzeugungseinrichtung ist dabei als 3D-Display ausgestaltet. Zudem sind eine Einrichtung zur Detektion der Blickrichtung des Beobachters und eine Einrichtung zur Vorverzerrung des realen Bildes vorhanden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Head-up-Display bereitzustellen, das in der Lage ist, 3D-Inhalte zu erzeugen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Head-up-Display mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Fortbewegungsmittel gemäß Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Head-up-Display eine bildgebende Einheit und eine Projektionsoptik auf. Die bildgebende Einheit hat zwei Anzeigevorrichtungen zum Erzeugen eines ersten Bildes für ein rechtes Auge eines Betrachters und eines zweiten Bildes für ein linkes Auge des Betrachters. Die zwei Anzeigevorrichtungen sind jeweils in drei Raumrichtungen relativ zu einem Vergrößerungspfad des Head-up-Displays verschiebbar. Die Projektionsoptik ist eingerichtet zum Abbilden des ersten Bildes in eine erste Bildebene und zum Abbilden des zweiten Bildes in eine zweite Bildebene. Die erste Bildebene und die zweite Bildebene liegen als freie Fokusebenen in einem Schacht direkt in der Luft. Der Schacht stellt sicher, dass kein Streulicht in den Strahlengang gelangt. Der Schacht wird manchmal auch als Lichttunnel bezeichnet. Die Bilder in den freien Fokusebenen werden manchmal auch als Luftbilder oder - in Anlehnung an die Begrifflichkeit bei Mikroskopen - als reeles Zwischenbild bezeichnet.
  • Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden die Bilder für den Betrachter separat für das linke Auge und das rechte Auge des Betrachters mittels zweier Anzeigevorrichtungen erzeugt, z.B. mittels zweier Mikrodisplays. Durch die Projektionsoptik werden die Bilder der Anzeigevorrichtungen in einen Schacht direkt in freie Fokusebenen in der Luft abgebildet, wo sie als Objekt im Raum sichtbar sind. Die Anzeigevorrichtungen sind in allen Raumrichtungen zum Vergrößerungspfad des Head-up-Displays verschiebbar. Damit ist es möglich, die Luftbilder passend zur Sichtbarkeit entsprechend der Augenposition im Schacht in die Luft abzubilden. Die Verschiebung der Bilder im Schacht selbst ermöglichen es, Information als echtes 3D-Objekt im Blickfeld des Betrachters darzustellen.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind das erste Bild und das zweite Bild kippbar. Zu diesem Zweck können beispielsweise die Anzeigevorrichtungen kippbar sein. Durch das Verkippen der Bilder lässt sich eine varifokale Projektion realisieren.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist das Head-up-Display eine Berechnungseinheit auf, die eingerichtet ist, individuell für das erste Bild und das zweite Bild Verzerrungen zu kompensieren. Insbesondere kann die Berechnungseinheit eingerichtet sein, durch eine Geometrie einer Projektionsfläche oder durch die Projektionsoptik oder andere optische Komponenten bedingte Verzerrungen zu kompensieren. Da die Bilder separat für beide Augen erzeugt werden, kann die Bildqualität separat für das linke und rechte Auge verbessert werden, indem typische Verzerrungen ausgeglichen werden. Dabei können z.B. Variationen der Geometrie der Windschutzscheibe oder durch die Produktion hervorgerufene Abweichungen der Projektionsoptik des Head-up-Displays ausgeglichen werden.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Berechnungseinheit eingerichtet, für das Kompensieren auf in einem Speicher abgelegte Kalibrierungswerte zurückzugreifen. Die Verwendung von Kalibrierungswerten erlaubt es, den passenden Ausgleich von Verzerrungen individuell für jedes Head-up-Display nach dem Einbau in ein Fortbewegungsmittel zu ermitteln. Bei der Kalibrierung erfolgt dazu eine Bestimmung der Abweichung zwischen der realen Bilddarstellung und dem Datenstand der Auslegung des Head-up-Display.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung erfolgt das Verschieben der Anzeigevorrichtungen auf Grundlage zumindest von Daten einer kamerabasierten Überwachung des Betrachters. Für die Nachführung der Eyebox entsprechend der Betrachterposition werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen Kameras zur Fahrerüberwachung genutzt. Aus den Daten solcher Kameras können leicht die Kopfposition und die Augenpositionen des Betrachters bestimmt werden. Diese Positionen können genutzt werden, um die Anzeigevorrichtungen entsprechend zu verschieben.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das Head-up-Display eingerichtet, Inhalte als kontaktanaloge Augmentierungen in einer Straßenebene oder als senkrecht zur Straßenebene ausgerichtete Objekte darzustellen. Das erfindungsgemäße Head-up-Display erlaubt es, Inhalte sowohl entsprechend einer Scheimpflug-Projektion darzustellen, bei der die Inhalte z.B. als kontaktanaloge Augmentierung in der Straße liegen, als auch als senkrecht zur Straße ausgerichtete Objekte darzustellen. In beiden Fällen sind die Inhalte als echte 3D-Information verfügbar.
  • Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßes Head-up-Display in einem Fortbewegungsmittel eingesetzt. Bei dem Fortbewegungsmittel kann es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug handeln, alternativ aber auch um ein Luftfahrzeug, ein Schienenfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug.
  • Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.
  • Figurenübersicht
    • 1 zeigt schematisch ein Head-Up-Display gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug;
    • 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display;
    • 3 zeigt schematisch eine Verschiebung von Anzeigevorrichtungen relativ zu einer Projektionsoptik und zu einem Vergrößerungspfad des Head-up-Displays;
    • 4 zeigt schematisch eine Verschiebung eines Luftbildes in einem Schacht des Head-up-Displays;
    • 4 zeigt schematisch eine Verschiebung des Luftbildes relativ zu einem Lichtpfad des Head-up-Displays; und
    • 6 zeigt schematisch ein Fortbewegungsmittel, das ein erfindungsgemäßes Anzeigesystem nutzt.
  • Figurenbeschreibung
  • Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren für gleiche oder gleichwirkende Elemente verwendet und nicht notwendigerweise zu jeder Figur erneut beschrieben. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
  • 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Head-Up-Displays 1 gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug. Das Head-Up-Display 1 weist eine bildgebende Einheit 10 und eine Optikeinheit 12 auf. Von einem Anzeigeelement 11 geht Licht SB aus, welches von einem Faltspiegel 21 auf einen gekrümmten Spiegel 22 reflektiert wird, der es in Richtung einer Spiegeleinheit 2 reflektiert. Die Spiegeleinheit 2 ist hier als Windschutzscheibe 20 des Kraftfahrzeugs dargestellt. Von dort gelangt das Licht SB' in Richtung eines Auges eines Betrachters 3.
  • Der Betrachter 3 sieht ein virtuelles Bild VB, welches sich außerhalb des Kraftfahrzeugs oberhalb der Motorhaube oder sogar vor dem Kraftfahrzeug befindet. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit 12 und Spiegeleinheit 2 ist das virtuelle Bild VB eine vergrößerte Darstellung des vom Anzeigeelement 11 angezeigten Bildes. Hier sind symbolisch eine Geschwindigkeitsbegrenzung, die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Navigationsanweisungen dargestellt. So lange sich das Auge des Betrachters 3 innerhalb einer durch ein Rechteck angedeuteten Eyebox 4 befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes VB für den Betrachter 3 sichtbar. Befindet sich das Auge des Betrachters 3 außerhalb der Eyebox 4, so ist das virtuelle Bild VB für den Betrachter 3 nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox 4 ist, desto weniger eingeschränkt ist der Betrachter bei der Wahl seiner Sitzposition.
  • Die Krümmung des gekrümmten Spiegels 22 ist an die Krümmung der Windschutzscheibe 20 angepasst und sorgt dafür, dass die Bildverzeichnung über die gesamte Eyebox 4 stabil ist. Der gekrümmte Spiegel 22 ist mittels einer Lagerung 23 drehbar gelagert. Die dadurch ermöglichte Drehung des gekrümmten Spiegels 22 ermöglicht ein Verschieben der Eyebox 4 und somit eine Anpassung der Position der Eyebox 4 an die Position des Betrachters 3. Der Faltspiegel 21 dient dazu, dass der vom Licht SB zurückgelegte Weg zwischen Anzeigeelement 11 und gekrümmtem Spiegel 22 lang ist, und gleichzeitig die Optikeinheit 12 dennoch kompakt ausfällt. Die bildgebende Einheit 10 und die Optikeinheit 12 werden durch ein Gehäuse 13 mit einer transparenten Abdeckscheibe 24 gegen die Umgebung abgegrenzt. Die optischen Elemente der Optikeinheit 12 sind somit beispielsweise gegen im Innenraum des Fahrzeugs befindlichen Staub geschützt. Eine auf der Abdeckscheibe 24 angeordnete Abdeckanordnung 26 dient dazu, das über die Grenzfläche der Abdeckscheibe 24 reflektierte Licht sicher zu absorbieren, sodass keine Blendung des Betrachters hervorgerufen wird. Außer dem Sonnenlicht SL kann auch das Licht einer anderen Störlichtquelle 5 auf das Anzeigeelement 11 gelangen. Ein auf der Abdeckscheibe 24 angeordnetes Polarisationsfilter 25 kann genutzt werden, um einfallendes Sonnenlicht SL oder Störlicht zu reduzieren.
  • 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-Up-Display 1. Das Head-Up-Display 1 ist in weiten Teilen identisch zu dem in 1 dargestellten Head-Up-Display 1. Allerdings befindet sich im am Ausgang der bildgebenden Einheit 10 nun ein Schacht 16, in dem das Bild in der Luft liegt. Zudem weist die bildgebende Einheit 10 zwei Anzeigevorrichtungen 11R, 11L auf, z.B. zwei Mikro-Displays. Die beiden Anzeigevorrichtungen 11R, 11L sind jeweils in drei Raumrichtungen verschiebbar. Das Verschieben der Anzeigevorrichtungen 11R, 11L kann z.B. auf Grundlage von Daten einer Überwachung des Betrachters 3 erfolgen, die Bilder einer Innenraumkamera 18 auswertet. Darüber hinaus können die Anzeigevorrichtungen 11R, 11L auch kippbar sein. Das Head-up-Display 1 weist eine Berechnungseinheit 14 auf, die eingerichtet ist, individuell für die beiden Bilder der Anzeigevorrichtungen 11R, 11L Verzerrungen zu kompensieren. Insbesondere kann die Berechnungseinheit 14 eingerichtet sein, durch eine Geometrie der Windschutzscheibe 20 oder durch die Projektionsoptik 17 oder andere optische Komponenten 21, 22 bedingte Verzerrungen zu kompensieren. Da die Bilder separat für beide Augen des Betrachters 3 erzeugt werden, kann die Bildqualität separat für das linke und rechte Auge verbessert werden, indem typische Verzerrungen ausgeglichen werden. Beispielsweise kann die Berechnungseinheit 14 eingerichtet sein, für das Kompensieren auf Kalibrierungswerte zurückzugreifen, die in einem Speicher 15 abgelegt sind. Dies erlaubt es, den passenden Ausgleich von Verzerrungen individuell für jedes Head-up-Display 1 nach dem Einbau in ein Fortbewegungsmittel zu ermitteln.
  • 3 zeigt schematisch die Verschiebung der beiden Anzeigevorrichtungen 11R, 11L relativ zur Projektionsoptik und zum Vergrößerungspfad des Head-up-Displays. Wie zu sehen ist, sind die beiden Anzeigevorrichtungen 11R, 11L in drei Raumrichtungen x, y, z verschiebbar. Damit ist es möglich, die Bilder BR, BL der Anzeigevorrichtungen 11R, 11L mittels der Projektionsoptik passend zur Sichtbarkeit entsprechend der Augenposition im Schacht 16 in die Luft abzubilden. Diese Abbildung wird auch als Erzeugen von Luftbild oder Zwischenbild bezeichnet.
  • 4 zeigt schematisch die Verschiebung eines Luftbildes L im Schacht 16 des Head-up-Displays. Die Projektionsoptik ist hier durch eine Ausgangsprojektionslinse 19 angedeutet.
  • 5 zeigt schematisch die Verschiebung des Luftbildes L relativ zu einem Lichtpfad des Head-up-Displays. Die Verschiebung der Bilder im Schacht 16 selbst ermöglichen es, Information als echtes 3D-Objekt im Blickfeld des Betrachters darzustellen. Das Luftbild L wird im Schacht 16 passend zur Kopfbewegung des Fahrers nachgeführt.
  • 6 zeigt schematisch ein Fortbewegungsmittel 30, das ein erfindungsgemäßes Head-Up-Display 1 nutzt. Bei dem Fortbewegungsmittel 30 handelt es sich in diesem Beispiel um ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist ein erfindungsgemäßes Head-Up-Display 1 auf, das eine Windschutzscheibe 20 des Kraftfahrzeugs als Projektionsfläche nutzt. Mit einer Sensorik 31 können Daten zur Fahrzeugumgebung erfasst werden. Die Sensorik 31 kann insbesondere Sensoren zur Umfelderkennung umfassen, z.B. Ultraschallsensoren, Laserscanner, Radarsensoren, Lidarsensoren oder Kameras. Die von der Sensorik 31 erfassten Informationen können genutzt werden, um anzuzeigende Inhalte für das Head-Up-Display 1 zu generieren. Weitere Bestandteile des Kraftfahrzeugs sind in diesem Beispiel ein Navigationssystem 32, durch das Positionsinformationen bereitgestellt werden können, sowie eine Datenübertragungseinheit 33. Mittels der Datenübertragungseinheit 33 kann z.B. eine Verbindung zu einem Backend aufgebaut werden, beispielsweise um aktualisierte Software für Komponenten des Kraftfahrzeugs zu beziehen. Zur Speicherung von Daten ist ein Speicher 34 vorhanden. Der Datenaustausch zwischen den verschiedenen Komponenten des Kraftfahrzeugs erfolgt über ein Netzwerk 35.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Head-up-Display
    2
    Spiegeleinheit
    3
    Betrachter
    4
    Eyebox
    5
    Störlichtquelle
    10'
    Bildgebende Einheit
    11,
    Anzeigeelement
    11R, 11L 12
    Optikeinheit
    13
    Gehäuse
    14
    Berechnungseinheit
    15
    Speicher
    16
    Schacht
    17
    Projektionsoptik
    18
    Kamera
    19
    Ausgangsprojektionslinse
    20
    Windschutzscheibe
    21
    Faltspiegel
    22
    Gekrümmter Spiegel
    23
    Lagerung
    24
    Abdeckscheibe
    25
    Polarisationsfilter
    26
    Abdeckanordnung
    30
    Fortbewegungsmittel
    31
    Sensorik
    32
    Navigationssystem
    33
    Datenübertragungseinheit
    34
    Speicher
    35
    Netzwerk
    BR, BL
    Bild
    L
    Luftbild
    SB, SB'
    Strahlenbündel
    SL
    Sonnenlicht
    VB
    Virtuelles Bild

Claims (9)

  1. Head-up-Display (1) für ein Fortbewegungsmittel (30), mit: - einer bildgebenden Einheit (10) mit zwei Anzeigevorrichtungen (11R, 11L) zum Erzeugen eines ersten Bildes (BR) für ein rechtes Auge eines Betrachters (3) und eines zweiten Bildes (BL) für ein linkes Auge des Betrachters (3); und - einer Projektionsoptik (17) zum Abbilden des ersten Bildes (BR) in eine erste Bildebene und zum Abbilden des zweiten Bildes (BL) in eine zweite Bildebene; wobei die erste Bildebene und die zweite Bildebene als freie Fokusebenen in einem Schacht (16) direkt in der Luft liegen und die zwei Anzeigevorrichtungen (11R, 11L) jeweils in drei Raumrichtungen relativ zu einem Vergrößerungspfad des Head-up-Displays (1) verschiebbar sind.
  2. Head-up-Display (1) gemäß Anspruch 1, wobei das erste Bild (BR) und das zweite Bild (BL) kippbar sind.
  3. Head-up-Display (1) gemäß Anspruch 2, wobei zum Verkippen des ersten Bildes (BR) und des zweiten Bilds (BL) die Anzeigevorrichtungen (11R, 11L) kippbar sind.
  4. Head-up-Display (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Head-up-Display (1) eine Berechnungseinheit (14) aufweist, die eingerichtet ist, individuell für das erste Bild (BR) und das zweite Bild (BL) Verzerrungen zu kompensieren.
  5. Head-up-Display (1) gemäß Anspruch 4, wobei die Berechnungseinheit (14) eingerichtet ist, durch eine Geometrie einer Projektionsfläche (20) oder durch die Optikeinheit (12) bedingte Verzerrungen zu kompensieren.
  6. Head-up-Display (1) gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die Berechnungseinheit (14) eingerichtet ist, für das Kompensieren auf in einem Speicher (15) abgelegte Kalibrierungswerte zurückzugreifen.
  7. Head-up-Display (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verschieben der Anzeigevorrichtungen (11R, 11L) auf Grundlage zumindest von Daten einer kamerabasierten Überwachung des Betrachters (3) erfolgt.
  8. Head-up-Display (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Head-up-Display (1) eingerichtet ist, Inhalte als kontaktanaloge Augmentierung oder als 3D-Information darzustellen.
  9. Fortbewegungsmittel (30) mit einem Head-up-Display (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3712170A1 (de) 1987-04-10 1989-02-09 Holtronic Gmbh Stereoskopisches display-system
DE102013218085A1 (de) 2013-09-10 2015-03-12 Continental Automotive Gmbh Head-up-Display

Patent Citations (2)

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