JPH08241617A - 多重ポート高輝度集中照明システム - Google Patents

多重ポート高輝度集中照明システム

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JPH08241617A
JPH08241617A JP7290695A JP29069595A JPH08241617A JP H08241617 A JPH08241617 A JP H08241617A JP 7290695 A JP7290695 A JP 7290695A JP 29069595 A JP29069595 A JP 29069595A JP H08241617 A JPH08241617 A JP H08241617A
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lens
optical fibers
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JP7290695A
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William James Cassarly
ウィリアム・ジェームス・カサリー
John M Davenport
ジョン・マーティン・デブンポート
Richard Lowell Hansler
リチャード・ロウエル・ハンスラー
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0005Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60QARRANGEMENT OF SIGNALLING OR LIGHTING DEVICES, THE MOUNTING OR SUPPORTING THEREOF OR CIRCUITS THEREFOR, FOR VEHICLES IN GENERAL
    • B60Q1/00Arrangement of optical signalling or lighting devices, the mounting or supporting thereof or circuits therefor
    • B60Q1/0011Arrangement of optical signalling or lighting devices, the mounting or supporting thereof or circuits therefor with light guides for distributing the light between several lighting or signalling devices
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21LIGHTING
    • F21SNON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S41/00Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps
    • F21S41/20Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by refractors, transparent cover plates, light guides or filters
    • F21S41/24Light guides
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    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G02B6/42Coupling light guides with opto-electronic elements
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  • Lighting Device Outwards From Vehicle And Optical Signal (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 互いに光出力が均一で、パッキングフラクシ
ョン特性を改善した複数の出力ポートを有する集中照明
システムを提供する。 【解決手段】 放物面反射部材14の光学焦点に配設さ
れた高輝度光源12を有する光源−反射部材組立体か
ら、光出力を本質的に平行に複数のレンズ部材16,1
8に送出し、この複数のレンズ部材により該光出力を複
数の空間的に離間した光スポットに集束する。この空間
的に離間した光スポットはパッキングフラクション損失
を生じることなく光ファイバ22に入力される。複数の
レンズ部材は反射部材に関して形成された半径に沿って
等距離の所に、しかも反射部材から隔たって配設され、
この結果、レンズ部材は互いに色および強度が等しい空
間的に離間した光スポットを生じる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、多数の出力ポートに光
を出力させることのできる高輝度集中照明システムに関
する。更に詳しくは、本発明は、多数の出力ポートに釣
り合いをとって光出力を供給して、これにより光出力が
すべての出力ポートにおいて本質的に同じになり、且つ
このような光出力を光ファイバに結合するためのパッキ
ングフラクション特性が改良された高輝度集中照明シス
テムに関する。
【0002】
【従来の技術】中央光源から光ファイバまたは光パイプ
を介して複数の遠隔位置を照明することが望ましい種々
の照明用途のために、高輝度集中照明システムが提案さ
れている。このような集中照明システムの一例が、19
90年9月18日発行の米国特許第4,958,263
号に記載されている。この特許では、中央の楕円形アー
ク管とそれから延びる多数の管状延長部とを有する光源
が設けられている。この管状延長部の各々は例えば前方
照明、尾灯および天井照明等の必要な照明を行うために
光ファイバを介して車両の種々の位置に結合されてい
る。このような装置では種々の管状延長部に対する光出
力に均一性がほとんどないことが分かっている。更に、
所望の位置に必要な量の照明を行うために、約10mm
以上の大きな直径の光ファイバが必要であることも分か
っている。このような大きな光ファイバでは、より高価
になることに加えて、車両本体内に配置するために光フ
ァイバを移動し曲げることが困難である。車両の前方照
明を行うための集中光源および光ファイバの他の使用例
が、1994年1月11日発行の米国特許第5,27
8,731号に記載されている。この特許では、V字形
ミラーがファイバの端部からレンズ部材を介して伝送用
の反射器面に光出力を分配していることを除いて、単一
の光ファイバがほぼ通常の自動車の反射器アセンブリに
導入されている。この特許の構成では、光ファイバの直
径を10mmとすると、出力されるビームは約5度の垂
直方向の広がりを有する。5度の垂直方向の広がりは、
4度右、4度下のSAEテスト点を越え、更に過度の前
方照明となる。従って、直径の小さな光ファイバを使用
し、広がり特性に関して適当なビームパターンを達成す
る自動車用の集中照明システムを提供することが望まし
い。
【0003】自動車用に使用するための集中照明システ
ムを提供するのに解決されるべき他の問題は、車両の左
右両側から均一に出現する光出力を生じる能力を有する
ことである。車両の両側の光出力がほぼ均一に現れる集
中照明システムの一例が、1993年6月29日発行の
米国特許第5,222,793号に記載されている。こ
の特許では、単一の光源からの多重ビーム出力を達成す
るために、スプリット反射器構造を利用して2つの光出
力を作り、光ファイバは特定の長さ並んで接触して配設
され、車両の2つの側に分配するために分割されてい
る。米国特許第5,222,793号のシステムは、単
一光源から多重ビーム出力を達成するのに有効である
が、スプリット反射器構造を製造するために正確な加工
処理を必要とする上に、光ファイバが互いに接触してい
るため、接触している光ファイバ間の絶縁問題が発生す
ることがある。
【0004】単一の集中光源から多重光出力を作る際に
対処すべき更に他の問題は、利用されている多重光ファ
イバ間に最適なパッキングフラクション(packin
gfraction)を達成することである。すなわ
ち、一緒に束ねられた光ファイバの複数の入力面へ単一
光源からの光を差し向けることにより、光ファイバ間に
空間が形成されて、そこに与えられる光が失われること
になる。光ファイバ入力に関連する表面積を、光ファイ
バに与えられる光出力の面積で割った値が、パッキング
フラクションと定義され、この値を最大にすることが望
ましい。実際、光源からの光出力を光ファイバの入力面
へ送出する前に複数の個々の光スポットに分割し、この
個々の光スポットが、厳しい許容差でのみ製造される複
雑な反射器の使用を必要とすることなく、コスト効率良
く得られるようにすることが更に望ましい。
【0005】
【発明の概要】本発明は、多重ポート出力を有し、各ポ
ートにおける各光出力が他のポートにおけるすべての他
の光出力にほぼ等しくなるようにした集中照明システム
を提供する。更に、本発明は、高価な反射器装置を必要
となることなく、且つ複数の光ファイバ入力面のパッキ
ングフラクションに関連する問題を実質的に回避するよ
うに多重スポット光出力を作る多重ポート光出力装置を
提供する。
【0006】本発明の原理によれば、光を複数の遠隔位
置に分配する多重出力を有する集中照明システムが提供
される。この照明システムは、放物面状に構成された反
射部材の光学焦点に配置された高輝度光源を有する。こ
の光源と放物面反射部材との組立体は、そこからの光出
力を本質的に平行なビームパターンで送出するように作
用する。また複数のレンズ部材が設けられ、各々のレン
ズ部材は、上記の光源−反射部材組立体から光出力を受
ける第1の面と、光源−反射部材組立体からの光出力を
集束してそれぞれの集束光出力を形成するように作用す
る第2の湾曲した面とを有する。集束光出力を受ける複
数の光ファイバが、集束光出力を遠隔位置に分配するよ
うに作用する。複数のレンズ部材が、反射部材に関して
形成された半径に沿って等距離に、しかも反射部材から
間隔をあけて配設される。この結果、レンズ部材は複数
の光出力スポットを光ファイバの入力面へ供給するよう
に作用し、これらの複数の光出力スポットは互いに色お
よび強度が実質的に均一である。
【0007】以下、添付図面を参照して詳しく説明す
る。
【0008】
【発明の詳しい説明】図1に示すように、集中照明シス
テム10は、高輝度光源12を有している。この光源は
好適実施例では1993年8月24日に発行された米国
特許第5,239,230号に記載されているようなキ
セノン−メタルハライドランプにより構成される。勿
論、例えばタングステンハロゲン白熱光源、または他の
メタルハライド光源または他の放電光源のような他の光
源も本発明に利用できることを理解されたい。
【0009】光源12は、放物面状に構成された反射部
材14の光学焦点に配置される。光源12と反射部材1
4との組立体からの光出力は複数のレンズ部材16およ
び18の一方の面に差し向けられる。2個のレンズ部材
16および18のみが図示されているが、本発明の結果
を達成するのに任意の複数のレンズ部材を用いても同様
に有効であることを考慮されたい。実際、以下に更に詳
細に説明する図5および図6に示すように、そこに図示
されているものの背後に別の対のレンズ部材および光フ
ァイバがある。レンズ部材16および18は高性能を達
成するように非球面レンズであることが好ましい。この
ため、レンズ部材16および18は、それぞれ平坦な第
1の面16aおよび18aと、湾曲した第2の面16b
および18bとを有する。図1に示すように、光源12
と反射部材14との組立体からの光出力は、まず湾曲面
16bおよび18bに入力され、レンズ部材16および
18を通って集束されて、空間的に離間した集束光スポ
ットとしてそれぞれ第1の面16aおよび18aから出
力される。
【0010】レンズ部材16および18からの光出力
は、それぞれの複合放物面集光器(CPC)の入力面に
入力される。CPCは、通常は光ファイバの入力面の領
域の外側に集束する様な光を捕捉することにより、或い
は高いNA定格を有する一層小さい光ファイバが使用で
きるように角度対面積変換を行うことにより、更に良好
に光を収集するように作用する。NA定格は、どのくら
い高い入力角度の光が光ファイバの入力面領域に供給さ
れると光ファイバを通って伝送できるかをかを意味して
いることに注意されたい。NA定格が高ければ高い程、
光ファイバを通って伝送できる光の入力角が高くなる。
図1に更に示すように、一対の光ファイバ22が互いに
平行に接触することなく配設されている。光ファイバ2
2はCPC20を介して光入力を受けて、該光を所望の
遠隔位置(図示せず)に伝送する。レンズ部材16,1
8からの光出力を空間的に離間した光スポットに集束す
ることにより、一般に単一の集中光源から複数の光ファ
イバへ光を結合する際に生じるパッキングフラクション
問題を回避できることを理解されたい。一般に、単一光
源が楕円形反射器に使用された場合、その光出力は第2
の光学焦点において光ファイバに供給され、光ファイバ
は第2の光学焦点の領域に光を受けるように束ねられて
いる。非圧縮性光ファイバを使用する場合には、光ファ
イバ間にスペースが存在し、これらのスペースに当たる
光は無駄になる。更に、光ファイバを互いに緊密に束ね
ることにより、光ファイバは互いに接触するが、このよ
うな場合にはそれらの間に絶縁問題が生じる。本発明
は、光ファイバの入力面の形状にほぼ一致するように構
成された空間的に離間した光スポットを提供することに
より、束ねられた光ファイバ群に関連する光損失を回避
することができる。また、空間的に離間した光スポット
を構成することにより、光ファイバは互いに接触するこ
となく配設でき、これにより互いに接触して配設された
光ファイバに時々関連する絶縁問題を除去することがで
きる。
【0011】図2を参照すると、図1に示したものと同
じ光源12と反射部材14との組立体を利用した別の照
明システムが提供されている。しかしながら、図2の照
明システムでは転向ミラー24が設けられている。この
転向ミラーは光源12と反射部材14との組立体からの
光出力を例えば図2に示す90度のような角度に方向転
換するように作用する。この転向ミラー24で反射され
た光は、それからレンズ部材16および18の第1の面
16aおよび18aに当たる。レンズ部材16および1
8は光を図1で説明したと同様な空間的に離間した光ス
ポットに集束するように作用する。このような空間的に
離間した光スポットは、レンズ部材のそれぞれの湾曲し
た面16bおよび18bから出力されて、図1のCPC
を使用していない本構成の光ファイバ22の入力面に与
えられる。図2に示す照明システムの別の利点は、転向
ミラー24をIR(赤外線)阻止の目的のために使用で
きることである。すなわち、転向ミラー24は赤外線を
レンズ部材16および18並びに光ファイバ22に向け
て反射するよりもこのような赤外線を通過させるように
構成し得ることである。更に、転向ミラー24を使用し
ているため、図2の照明システムを更にコンパクトなハ
ウジング内に収容することができる。
【0012】図1および図2に示す照明システムでは、
光ファイバは、それぞれの出力端部が同じ方向を向くよ
うに、平行に配列されている。図1および図2のシステ
ムで達成されたものと同じ利点を達成しながら、互いに
異なる方向に向かう光出力を生じる照明システムを提供
することが望ましい場合もある。このような照明システ
ムが図3および図4に示されている。図3の照明システ
ムでは、V字形ミラー26がレンズ部材16および18
の出力と光ファイバ22の入力面との間に配設されてい
る。この結果、光ファイバ22のそれぞれの出力端部か
らの光出力は、図3に示す互いに反対方向のような異な
る方向に伝送される。V字形ミラー26のそれぞれのミ
ラー構成部品の角度を変えることにより、光ファイバの
出力面を互いに変えることができることを理解された
い。互いに反対方向に光を伝送するための更に簡単な方
法が図4に示されている。図4では、軸のずれた放物面
体28がレンズ部材16および18並びにV字形ミラー
26の代わりに配設されている。
【0013】図5に示すように、図1および図2に示す
照明システムは、4つの異なる光ファイバ22に向けら
れる4つの空間的に離間した光スポットを生じるように
作用するレンズ部材16、18、30および32の配列
を有することができる。図5に示すように、レンズ部材
16、18、30および32は、各レンズ部材の少なく
とも1辺が隣接するレンズ部材の対応する少なくとも1
辺に接触するように互いに接触して配列されている。更
に、レンズ部材16、18、30および32は反射部材
14の中心から伸びる半径に沿って等距離のところに配
設されていることに注意されたい。勿論、図1および図
2に示したように、レンズ部材16、18、30および
32は実際には反射部材14上に存在するのでなく、反
射部材14から隔たって設けられている。反射部材14
の中心点から等距離にあるそれぞれの空間を占有するこ
とにより、光スポットの色および強度の均一性を達成す
ることができる。レンズ部材が反射部材14の中心から
伸びる半径に沿って異なる位置に配設された場合には、
レンズ部材の入力面に向けられる光の色および強度に変
動が生じる。また、図5においては、4つのレンズ部材
のみが示されているが、レンズ部材が上述したように等
距離のところに配設されるなら、任意の数のレンズ部材
を使用することができる。
【0014】図5の照明システムを適用する際、任意の
数のレンズ部材の出力を制御することができる。図5に
示すように、レンズ部材30のみを、関連する制御アー
ム36を有する制御ユニット34により制御できる。制
御ユニット34を動作させることにより、制御アーム3
6は、レンズ部材30から対応する光ファイバ22への
光の伝送を防止する妨害位置と、図5に示すような非妨
害位置とに移動させることができる。この種の制御装置
が有用である場合の一例は、自動車の前方照明用途であ
る。この用途では、レンズ部材16、18および32に
関連する3つの制御されない光出力が低ビーム前照灯と
等価なものであり、レンズ部材30からの光出力を追加
することにより、高ビーム照明が可能となる。このよう
な自動車の照明用途での制御ユニット34の動作は、本
技術で周知の通常のオン−オフスイッチ装置を使用して
達成することができる。
【0015】多重ポート照明システムの他の用途の例が
図6に示されている。図6では、レンズ部材16、1
8、30および32に関連する4つの出力ポートの上に
色ホイール(wheel)38が配設されている。色ホ
イールは、4つの別々の異なる色フィルタ40を有し、
その各々はレンズ部材の出力のいずれかを覆うように位
置決めされたとき、関連する光ファイバに供給される光
の色をその色フィルタのの色に変更する。色ホイール3
8の動作を制御することにより、種々の光ファイバの出
力面の色を変更することができる。このような色可変の
光出力は、ステージおよびスタジオの照明並びに商品の
ディスプレイの照明に適用することができる。
【0016】図7は、光源12と、反射部材14と、レ
ンズ部材16、18、30および32と、場合によって
はCPC20を有する多重ポート照明システム42の自
動車への用途を示している。四ポート光源42の光出力
が4本の光ファイバ22を介して右左の前照灯組立体4
4に伝達される。光ファイバ22の出力はV字形ミラー
48によって湾曲した反射器50に差し向けられる。こ
の湾曲した反射器50からの光はレンズカバー46を通
って前方に差し向けられて、道路面上に所望のビームパ
ターンで分配される。一例として、光ファイバ22は各
々直径が7mm台のものであり、各前照灯組立体44に
2本のファイバを用いることにより入力面の全入力面
積、従ってルーメン密度が直径10mmのファイバのも
のと同じになる。2本の小さな直径のファイバを利用す
ることにより、図7の照明システムは、4度右および4
度下のSAEテストポイント要求条件の制限内に入る
3.5度に低減された垂直方向の広がりを有するビーム
パターンを提供することができる。
【0017】上述した実施例は本発明の好適実施例を構
成しているが、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲
から逸脱することなく、種々の変更を行うことができる
ことを理解されたい。例えば、図1のレンズ部材16お
よび18をCPC部材20と組み合わせて単一の構成要
素にし、2つの反射面16aおよび18aおよびCPC
入力面を除去することができる。これらの2つの反射面
を除去することにより、ファイバ22を通って運ばれる
光が8%増大する。組み合わせたレンズ/CPC構造の
レンズとCPC要素との間に適当な誘電材料を介在配置
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従って構成された集中照明システムの
簡略断面図である。
【図2】本発明に従って構成されたもう一つ実施例によ
る集中照明システムの簡略断面図である。
【図3】本発明に従って構成された更にもう一つの実施
例による集中照明システムの簡略断面図である。
【図4】本発明に従って構成された更にもう一つの実施
例による集中照明システムの簡略断面図である。
【図5】自動車のヘッドライトに適用した場合の本発明
に従って構成された反射器/レンズ組立体の出力部の簡
略正面図である。
【図6】光色フィルタ装置に適用した場合の本発明に従
って構成された反射器/レンズ組立体の構成の出力部の
簡略正面図である。
【図7】自動車の照明用途に適用した場合の本発明に従
って構成された集中照明システムの概略構成図である。
【符号の説明】
12 光源 14 反射部材 16 レンズ部材 18 レンズ部材 20 複合放物面集光器 22 光ファイバ 24 転向ミラー 26 V字形ミラー 28 放物面体 30 レンズ部材 32 レンズ部材 34 制御ユニット 36 制御アーム 38 カラーホイール 40 色フィルタ 42 四ポート光源 44 前照灯組立体 46 レンズカバー 48 V字形ミラー 50 反射器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード・ロウエル・ハンスラー アメリカ合衆国、オハイオ州、ペパー・パ イク、ベルコート・ロード、28120番

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光出力を複数の遠隔位置に分配するため
    の多重出力を有する集中照明システムにおいて、 放物面状に構成され、関連する光学焦点を有する反射部
    材と、 光が前記反射部材から本質的に平行に送出されるように
    前記光学焦点に配設されている高輝度光源と、 各々が前記光源および前記反射部材からの光を受ける第
    1の面、並びに第2の面を有し、前記光源および前記反
    射部材からの光を集束して集束光出力を形成する複数の
    レンズ部材と、 前記集束光出力を受けて、光を前記遠隔位置に伝送する
    複数の光ファイバとを有し、 前記複数のレンズ部材は、前記反射部材に関して形成さ
    れた半径に沿って等距離の所に、しかも前記反射部材か
    ら隔たって配設されて、色および強度が実質的に等しい
    複数の空間的に離間した光出力スポットを前記複数の光
    ファイバに供給するように作用することをを特徴とする
    集中照明システム。
  2. 【請求項2】 光出力を複数の遠隔位置に分配するため
    の多重出力を有する集中照明システムにおいて、 放物面状に構成され、関連する光学焦点を有する反射部
    材と、 光が前記反射部材から本質的に平行に送出されるように
    前記光学焦点に配設されている高輝度光源と、 前記反射部材から隔たって配設されて、該反射部材から
    の光を受ける複数のレンズ部材であって、前記光源およ
    び前記反射部材からの光を複数の空間的に離間した光出
    力スポットに集束する複数のレンズ部材と、 各々が前記空間的に離間した光出力スポットの内の対応
    する1つの光スポットを受けて、光を前記遠隔位置に伝
    送する複数の光ファイバとを有し、 前記複数の光ファイバが互いに接触しないように配設さ
    れていることを特徴とする集中照明システム。
  3. 【請求項3】 前記複数のレンズ部材は、各レンズ部材
    の少なくとも一部が少なくとも1つの他のレンズ部材の
    少なくとも他の一部と接触するように互いに配設されて
    いる請求項1または2記載の集中照明システム。
  4. 【請求項4】 互いに接触する前記レンズ部材の前記部
    分は、両者間に実質的に空間が形成されないように、互
    いに隣接して確実に適合するようにテーパが形成されて
    いる請求項3記載の集中照明システム。
  5. 【請求項5】 更に、前記反射部材と前記複数のレンズ
    部材との間に配設されて、供給される光を方向転換する
    転向ミラーを有する請求項1記載の集中照明システム。
  6. 【請求項6】 前記複数の光ファイバが互いに接触しな
    いように配設され、且つ前記空間的に離間した光出力ス
    ポットが1対1の関係で前記複数の光ファイバに結合さ
    れて、これにより該光ファイバによるパッキングフラク
    ション損失が回避されている請求項1記載の集中照明シ
    ステム。
  7. 【請求項7】 更に、前記複数の光ファイバの内の少な
    くとも1つの光ファイバの入力面に隣接して配設され
    て、前記少なくとも1つの光ファイバの前記入力面の外
    部に通常集束する光を捕捉するように作用する少なくと
    も1つの複合放物面集光器を有する請求項1または2記
    載の集中照明システム。
  8. 【請求項8】 更に、前記複数のレンズ部材の内の少な
    くとも1つのレンズ部材の出力の上に配設され、該レン
    ズ部材の出力を複数の出力状態の内の少なくとも1つの
    状態に制御するように作用する制御手段を有する請求項
    1または2記載の集中照明システム。
  9. 【請求項9】 前記制御手段は、前記レンズ部材からの
    光出力を阻止するように該レンズ部材を覆う位置へ移動
    することができる制御アームを有する請求項8記載の集
    中照明システム。
  10. 【請求項10】 前記制御手段は、前記レンズ部材の出
    力を異なる色に変化させる色フィルタ部材を有する請求
    項8記載の集中照明システム。
  11. 【請求項11】 更に、前記複数の光ファイバの内の少
    なくとも2つの光ファイバの出力端部が光出力を伝送す
    るように終端する少なくとも1つの前照灯反射器組立体
    を有する請求項1または2記載の集中照明システム。
  12. 【請求項12】 前記前照灯反射器組立体は、前記少な
    くとも2つの光ファイバの前記出力端部からの光出力を
    受けるV字形ミラー部材を有し、該V字形ミラー部材は
    光出力を湾曲した反射器に差し向け、該反射器は光出力
    を所望のビームパターンに広げてレンズ部材を通して送
    出するように作用する請求項11記載の集中照明システ
    ム。
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