Sau khi nghe nói về khám phá về kính viễn vọng của Galileo, Kepler cũng bắt đầu những nghiên cứu cả lý thuyết và thực nghiệm về quang học viễn vọng sử dụng một kính viễn vọng mượn từ Công tước Ernest của Cologne. Bản thảo hoàn thành tháng 9 năm 1610 và công bố dưới tên Dioptrice (Khúc xạ học) năm 1611. Trong đó, Kepler thiết lập cơ sở lý thuyết của các thấu kính hội tụ lồi kép và thấu kính phân kỳ lõm kép-và cách chúng kết hợp để tạo nên kính viễn vọng của Galileo-cũng như quan niệm về ảnh thực và ảnh ảo, ảnh đứng và ảnh ngược, và ảnh hưởng của tiêu cự lên độ phóng đại và độ thu nhỏ. Ông cũng mô tả một kính viễn vọng cải tiến-ngày nay được gọi là kính thiên văn Kepler-trong đó hai thấu kính lồi có thể tạo ra độ phóng đại lớn hơn tổ hợp thấu kính lồi và lõm của Galileo.