Mens han langsomt fortsatte med at analysere Brahes observationer af Mars — som han nu havde fuld adgang til — og begyndte den langsomme proces med at tabulere de ''rudolfinske tavler'', begyndte Kepler også at undersøge optikkens love fra hans måneskrift fra 1600. Både måne- og [[solformørkelse]]r indeholdt uforklarlige fænomener som uventede skyggestørrelser, en fuldstændig måneformørkelses røde farve og det angiveligt usædvanlige lys, som omgav en fuldstændig solformørkelse. De relaterede problemer med [[atmosfærisk refraktion]] vedrørte ''alle'' astronomiske observationer. Gennem størstedelen af 1603 stoppede Kepler midlertidigt alt sit andet arbejde for at fokusere på optisk teori; resultatet blev som manuskript præsenteret for kejseren 1. januar 1604 og blev udgivet som ''Astronomiae Pars Optica'' (''Astronomiens optiske del''). Deri beskrev Kepler den <!-- inverse-square --> lov som styrede lysets intensitet, refleksion i flade eller kurvede spejle og [[hullinse]]rnes principper, såvel som optikkens astronomiske implikationer som [[parallakse]] og de himmelske legemers synlige størrelse. Han udvidede også sit studie af optik til det menneskelige øje, og betragtes generelt af neuroforskere som den første til at erkende at billeder projiceres spejlvendt og omvendt af [[linse (anatomi)|linsen]] på [[nethinde]]n. Løsningen på dette dilemma var ikke specielt vigtig for Kepler, da han ikke mente, at det relaterede til optik, selv om han antydede at billedet senere blev korrigeret "i hjernens hule" på grund af "sjælens aktivitet".<ref>Finger, "Origins of Neuroscience," s. 74. Oxford University Press, 2001.</ref> I dag anerkendes ''Astronomiae Pars Optica'' generelt som grundlaget for moderne optik (selvom [[Snells lov]] er påfaldende fraværende).<ref>Caspar, ''Kepler'', s. 142–146</ref>
Walhalla