LED照明灯具的光学设计方面，与传统灯具比较，定向性和点光源是LED最典型的特点也是灯具光学设计的关键之处。通过LED的二元光学设计，LED灯具能达到更好的配光曲线。正如目前LED照明灯具发展应用市场较大的室内照明的光线需要十分的明亮，则可使用高透光率灯罩提高光提取效率。或是将导光板技术应用到灯具中，从而将LED点光源更改为面光源，不但能提高灯具的配光均匀度，还可以防止眩光。也可以配合一些聚光透镜或反射器使用来突出照亮的物体的聚光效果实现实理想的光学效果。

传统上，LED 调光是以 DC 信号或滤波 PWM 信号调节流经 LED 的顺向电流来达成的。降低 LED 电流可调节 LED 光输出密度。不过，顺向电流的变化会导致 LED 发光颜色的变化，因为 LED 的色度随电流而变。汽车和 LCD TV 背光照明等多种应用不容许 LED 的发光颜色有任何偏差。由于周围环境光线变化不同以及人类肉眼能够感知光强的微小变化，因此在这些应用中需要宽调光范围。用 PWM 信号控制 LED 的光强，可以不改变发光颜色而实现 LED 调光。

大功率LED照明零组件在成为照明产品前，一般要进行两次光学设计。把LED IC封装成LED光电零组件时，要先进行一次光学设计，以解决LED的出光角度、光强、光通量大小、光强分佈、色温的范围与分佈。这就是所谓的一次光学设计。二次光学设计是针对大功率LED照明来说：一般大功率LED都有一次透镜，发光角度为120度左右。二次光学就是将经过一次透镜后的光再通过一个光学透镜改变它的光学性能。