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Kepler diede anche contributi fondamentali all'ottica (nonche alla matematica). Nel 1604 pubblico Ad Vitellionem paralipomena, quibus astronomiae pars optica traditur. Witelo (XIII secolo) aveva composto un testo intitolato Perspectiva che, insieme alla Perspectiva communis di John Peckham (c. 1232-1292), fu il piu importante trattato medievale di ottica. Il libro di Kepler ? di fatto, molto piu di un semplice "supplemento" all'opera di Witelo ? getto le basi della moderna ottica geometrica.
In un lavoro successivo, la Dioptrice, pubblicato nel 1611, Kepler investigo i principi teorici del telescopio, il nuovo strumento per mezzo del quale, poco tempo prima, Galileo aveva compiuto le sue straordinarie scoperte. Nell'opera Kepler suggeri l'adozione di un nuovo tipo di oculare costituito da una lente convergente (cioe biconvessa o piano-convessa), anziche da una lente divergente (cioe biconcava o piano-concava), come quella che costituiva l'oculare del telescopio "galileiano". Quest'ultimo forniva immagini diritte, ma il suo campo visivo era assai limitato. Al contrario, il telescopio "kepleriano" (o "astronomico") fornisce immagini rovesciate, ma il suo campo visivo e molto piu ampio e luminoso. Nel volgere di pochi decenni, la nuova configurazione ottica soppianto totalmente quella galileiana.
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Percorso dei raggi luminosi in un telescopio kepleriano