光學設計時先考慮法規需求，討論視角與強度關系，以近燈為例須針對其特殊的15度揚角設計，如圖5所示。在傳統的燈具設計上由先期的利用反射罩配合透鏡刻紋作角度與強度的控制，演變成為利用反射罩直接控制強度角度，也發展出利用成像方式的魚眼透鏡設計法。不論何種的設計方式都須先考慮選用光源的特性，特別是角度與強度的光型輸出(Beam pattern)，對傳統的光源而言，大多為柱狀光源，可產生類似蝴蝶外型的光型輸出，進而發展出來與之搭配的透鏡、反射罩、擋板、透鏡等光學組件。而利用LED作為光源設計燈具時，需重新考慮其光學特性由傳統的柱狀光源變為平面光源(不同的封裝設計有不同的光型輸出)，進而搭配外部的光學組件而產生不同組合以應用于不同產品，依照德國車燈大廠HELLA的設計分類，可將光源分為八大類，如圖6 所示。LED目前的單位面積發光量尚不及鹵素燈泡與放電式燈泡，想得到相同的流明輸出，LED需要較大的封裝面積。隨著光源輸出面積的增加，光學設計的難度也隨之提升，所以在現有的概念車上，都以模塊化光學設計取代既有的單一燈室設計，利用多組燈源達到傳統燈具的照明水平，除了降低光學設計的難度，也增加車體造型的設計感。

　　圖6 頭燈設計相關技術

　　資料來源：Hella

　　圖7 LED光源設計

　　資料來源：Hella

　　散熱設計是LED光源區別于傳統光源的課題之一。傳統燈具產生的熱遠高于LED，但傳統燈具不會因為高溫而降低其光源輸出能力，但LED的光輸出卻會隨著本身接口(Junction, PN接口)溫度的升高而下降，如圖8所示。而其產生的熱如何散除到外界環境與其封裝結構材料息息相關，牽涉到使用的散熱材料與相關外型，關系如圖9所示，其中熱阻的概念，代表輸入W功率時，需要提高多少K溫度才足以散熱。以現有的封裝技術最高可允許LED操作在185℃(Lumiled K2)，但一般因為封裝膠材的關系，可允許的操作溫度約在125℃，除了考慮光源輸出效率之外，亦考慮封裝膠材的變質(樹脂類材料在高溫有老化現象)。

　　圖8 接口溫度對光源輸出的影響

　　資料來源：Lumiled

　　引擎室的溫度在燈具附近最高可到85℃，配合Lumiled K2可有100℃的散熱空間，但若配合一般的LED則只有40℃的散熱空間，觀察相關熱阻，R_Junction-Slug、R_Slug-Board都決定于封裝體，對設計者而言只能針對R_Board-Ambient努力，其中包括如何將封裝體固定于散熱基板上(接著質量)、散熱結構外型設計、主被動散熱考慮與外部環境等條件。因此在此處應該與機構進行相關模擬設計，取得燈具在引擎室內的流場與溫度條件后再考慮所需的散熱模式，若選用被散動熱得需要較大的散熱空間，對引擎是而言是不小的負擔，若選用主動式散熱，雖然所需散熱環境較小，但因為增加了風扇等可動件，反而需考慮此可動件可否通過車燈上的相關法規，包括震動、粉塵、腐蝕與濕氣等嚴苛環境。

　　圖9 封裝與散熱熱阻關系

　　資料來源：Lumiled

　　LED在頭燈應用上遭遇的難題

　　LED應用于頭燈上在許多的車展上各家車廠都有展示相關的概念車，但在頭燈部分尚未看見有成品出現，仍有需多問題尚待解決。其中主要問題應在于亮度輸出、散熱問題與誤差設計。

　　頭燈的亮度需求近燈900流明，遠燈1100流明，整體需求2000流明，約是Lumiled生產40顆1W封裝體Luxeon emitter在25℃的總光源輸出，但當其外界溫度升高至50℃時，其效率將降至80%以下，且其光源輸出面積約90_2(氣體放電式燈泡約 13_2)，設計難度亦隨之提升。

　　在LED產業中，應對磊晶造成芯片的不均勻而發展出所謂的分類銷售的過程，特別是高瓦數的芯片在LED產業上是全檢出貨，依照波長亮度進行分類，也因此封裝后的個體存在著細微的差距，此差距可能存在于亮度、色溫或是可靠度上。然而應用LED于頭燈時，不可避免會利用多顆芯片以輸出足夠亮度進行光學設計，此時需特別注意LED質量檢測與質量控制的環節，以確保相同質量的光源輸出。