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南懷仁供職欽天監後做的一件大事是改造觀象臺，重造適用於西洋新法的天文儀器。
康熙八年（1669）八月著手，經過四年多努力，於康熙十二年（1673）用銅鑄成六件大型天文儀器，安裝在北京觀象臺上。
它們是：測定天體黃道座標的黃道經緯儀，測定天體赤道座標的赤道經緯儀，測定天體地平座標的地平經儀和地平緯儀（又名象限儀），測定兩個天體間角距離的紀限儀和表演天象的天體儀，這些儀器取代了深儀和簡儀等傳統儀器。
南懷仁主要參考第谷的設計，同時吸收中國和造型藝術，將歐洲的機械加工工藝和中國的鑄造工藝結合起來，實現他的設計。這些儀器在中國歷史上也是先進的。
南懷仁後來還製造過簡平儀、地平半圓日晷儀等多種天文儀器，並著有《赤道南北兩總星圖》（1672）和《簡平規總星圖》（1674）等。
南懷仁設計監製的儀器，典雅精美，它們不僅是觀測天象的儀器，而且也是瑰麗的藝術品，它們作為中西科學交流的歷史見證，至今仍陳列在北京古觀象臺。
在製造和安裝觀象臺新儀器的同時，南懷仁將各種儀器的製造原理、安裝和使用方法等，詳細記述，繪圖立說。他於康熙十三年正月二十九日（1674年3月6日）將《新制靈臺儀象志》共十六捲進呈，並請鏤版刊行。
南懷仁在《新制靈臺儀象志》的“序”中，說明了天文儀器的重要性：
“歷必有理與象之數，而儀器即所在首重也。夫儀也者，歷之理由此得精焉，歷之法由此得密焉。”
也談到了天文儀器與曆法的關係：“稽歷者必以儀為依據，明歷者必以儀為記事錄，失推者必以儀而改下，算合者必以儀而參互，較歷者非儀無由而信，從歷者非儀無由而啟悟。良法得之以見其長，敞法對之而形其短。甚哉，儀象之為用大也。”
他還指出，儀器“有作之法，有安之法，有用之法“，其造法必以天象為準”，要求“廣大、輕清、堅固、微妙”四者兼備。
《新制靈儀象志》這部書可以分為三個部分。
第一部分是前四卷，介紹新制成的六種儀器的製造原理、安裝和使用方法，其中包含了西方近代早期的許多科學技術知識。
第二部分是第五到第十四卷，為天文測量資料，即全天星表。星表共1366顆星，內容包括星的黃道座標、赤道座標和星等。星名則採用中國傳統的名稱並加編號，凡不屬中國傳統星官範圍內的，則以附近的傳統星官為主，標出相對的方位，再加編號。
第三部分是該書最後兩卷，共有117 幅圖。實際上，這兩卷又稱《新制儀象圖》或《儀象圖》，南懷仁繪製，完成於1664年（康熙三年）。
