Ma la svolta più radicale si ha nel '600 quando, dopo la soluzione di Giovanni Keplero (1571-1630) del problema della visione, l'ottica si separa da considerazioni di carattere fisiologico e psicologico e si afferma sul terreno più specificamente fisico. Lumen e lux vengono identificati: il dibattito verterà sulla struttura della luce, sulle idee regolative, sui risultati sperimentali, sui metodi matematici utilizzati. Con Keplero e Galileo (1564-1642) la tradizione artigianale fa il suo ingresso nel mondo delle accademie e della cultura: il microscopio e il cannocchiale vengono elaborati e inseriti in contesti teorici pervenuti oramai a uno stadio maturo, dando luogo a fondamentali dibattiti metodologici sul rapporto teoria-esperimento.
La formulazione della legge della rifrazione (il cui merito viene variamente attribuito a Thomas Harriot, 1560-1621; Willebord Snell, 1591-1626 e Cartesio, 1596-1650), ci fa assistere al modo in cui interagiscono, nell'opera di Descartes e in quella di Pierre de Fermat (1601-65), le idee regolative, i «nuclei metafisici» e le leggi sperimentali. Cartesio, nella sua teoria corpuscolare dell'ottica (sulla base di una spiegazione causale) dedurrà la legge della rifrazione con l'ipotesi ausiliare di una velocità della luce maggiore nel mezzo più denso. Fermat, sulla base di una spiegazione teleologica (implicante l'uso dei principi variazionali) e di un nucleo metafisico di carattere ondulatorio, dedurrà la stessa legge facendo uso di una ipotesi opposta riguardo la velocità. É interessante il fatto che si ritrovi la stessa legge sperimentale (quantitativa) in due interpretazioni teoriche differenti (corpuscolare e ondulatoria) con l'uso di due idee regolative differenti (causale e teleologica) e due predizioni sperimentali opposte. Una corroborazione sperimentale della predizione di Fermat si avrà due secoli dopo, a opera di L.Foucault (1819-68), ma nell'ambito di una teoria sostanzialmente differente.
Il dibattito sulla natura della luce nel '600, cioè sui modelli concettuali, traspare maggiormente dal confronto Huygens-Newton. Già Grimaldi con la rilevazione del fenomeno della diffrazione aveva supposto che la luce fosse un fluido capace di muoversi con grande velocità e con movimenti ondulatori; Christian Huygens (1629-95) raffinò la teoria ipotizzando un fluido stazionario con una propagazione luminosa tramite onde longitudinali. La determinazione astronomica della velocità della luce da parte del danese Olaf Romer (1644-1710), avvenuta mediante l'osservazione delle eclissi di uno dei satelliti di Giove, fornì una corroborazione e uno stimolo alla teoria ondulatoria: si diffondeva l'idea di un etere elastico. Un dato sperimentale problematico per questa teoria era però costituito dalla spiegazione della doppia rifrazione dei cristalli di spato d'Islanda, rilevata da un altro studioso danese, Erasmo Bartholin (1625-98), nel 1669.
Grandiosi, come è ben noto, furono i contributi offerti da Newton allo sviluppo dell'ottica. Basterà ricordare la progettazione e la costruzione del cannocchiale a riflessione, la spiegazione della dispersione dei colori, la formulazione della teoria corpuscolare (pur con concessioni alla tesi ondulatoria), lo studio della formazione degli anelli di interferenza, la spiegazione peculiare della doppia rifrazione ora menzionata.
Parlare di esperimento cruciale nella scelta tra l'ipotesi corpuscolare e quella ondulatoria non sembra opportuno: sia perché il concetto stesso di experimentum crucis è, da un punto di vista metodologico, quasi privo di valore, sia per l'estrema cautela che nel '600 i vari scienziati mostravano nei riguardi di questa scelta.