現代大型地面光學望遠鏡普遍使用了自適應光學系統，這是一種使用可變形鏡面來矯正因大氣抖動造成的畸變而改進光學系統效能的技術。

配備自適應光學系統的望遠鏡能夠克服大氣抖動對成像帶來的影響，將空間解析度顯著提高大約一個數量級，達到或接近其理論上的衍射極限。這項技術已經逐步被各大天文臺廣泛使用，併為下一代更大口徑的望遠鏡的建造開闢了道路。

自適應光學系統的目的是修復大氣湍流等因素對光波波前的扭曲，它需要透過波前感測器檢測到波前扭曲情況，然後透過安裝在望遠鏡焦平面後方的一塊小型可變形鏡面對波前光路進行實時矯正。可變形鏡面後安裝有促動器，促動器數量為數百個到數千個不等，每次調整要在0.5到1毫秒的時間內完成，以免大氣抖動造成波前扭曲情況發生改變。

自適應光學需要以很高的頻率調整鏡面形狀，因而可變形鏡面尺寸一般比較小，對材料的要求很高。

探測波前扭曲的感測器每秒讀出速度數百次到上千次，因此需要藉助觀測目標附近一顆足夠亮的導星來探測實際的波前扭曲。當觀測物件足夠亮時，目標本身可以作為一顆導星，比如太陽望遠鏡上的自適應光學系統。但是夜間使用的望遠鏡並非總能在觀測目標附近的天區找到足夠亮的導星，如果導星距離目標星太遠，兩個方向上波前扭曲並不相同，會令像質嚴重變差。解決辦法是使用鐳射人工製造出一顆導星，稱為鐳射導星。原理是在地球大氣層中高度為90千米左右中間層，有一層稀薄的鈉原子，這些原子受到激發，能夠發射波長為589奈米的鈉黃光，可以用作導星，這樣就能在離目標星很近的地方用鐳射製造一顆導星。

由於人工導星的路徑和目標星的光線路徑並不重合，大氣湍動造成的相位扭曲並不完全相同。解決辦法是製造多顆人工導星，這稱為鐳射層析自適應光學。同時為了得到矯正較大的視場，可以應用多塊變形鏡，共軛在不同的高度，這被稱為多共軛自適應光學系統。