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南怀仁供职钦天监后做的一件大事是改造观象台，重造适用于西洋新法的天文仪器。
康熙八年（1669）八月着手，经过四年多努力，于康熙十二年（1673）用铜铸成六件大型天文仪器，安装在北京观象台上。
它们是：测定天体黄道坐标的黄道经纬仪，测定天体赤道坐标的赤道经纬仪，测定天体地平坐标的地平经仪和地平纬仪（又名象限仪），测定两个天体间角距离的纪限仪和表演天象的天体仪，这些仪器取代了深仪和简仪等传统仪器。
南怀仁主要参考第谷的设计，同时吸收中国和造型艺术，将欧洲的机械加工工艺和中国的铸造工艺结合起来，实现他的设计。这些仪器在中国历史上也是先进的。
南怀仁后来还制造过简平仪、地平半圆日晷仪等多种天文仪器，并著有《赤道南北两总星图》（1672）和《简平规总星图》（1674）等。
南怀仁设计监制的仪器，典雅精美，它们不仅是观测天象的仪器，而且也是瑰丽的艺术品，它们作为中西科学交流的历史见证，至今仍陈列在北京古观象台。
在制造和安装观象台新仪器的同时，南怀仁将各种仪器的制造原理、安装和使用方法等，详细记述，绘图立说。他于康熙十三年正月二十九日（1674年3月6日）将《新制灵台仪象志》共十六卷进呈，并请镂版刊行。
南怀仁在《新制灵台仪象志》的“序”中，说明了天文仪器的重要性：
“历必有理与象之数，而仪器即所在首重也。夫仪也者，历之理由此得精焉，历之法由此得密焉。”
也谈到了天文仪器与历法的关系：“稽历者必以仪为依据，明历者必以仪为记事录，失推者必以仪而改下，算合者必以仪而参互，较历者非仪无由而信，从历者非仪无由而启悟。良法得之以见其长，敞法对之而形其短。甚哉，仪象之为用大也。”
他还指出，仪器“有作之法，有安之法，有用之法“，其造法必以天象为准”，要求“广大、轻清、坚固、微妙”四者兼备。
《新制灵仪象志》这部书可以分为三个部分。
第一部分是前四卷，介绍新制成的六种仪器的制造原理、安装和使用方法，其中包含了西方近代早期的许多科学技术知识。
第二部分是第五到第十四卷，为天文测量数据，即全天星表。星表共1366颗星，内容包括星的黄道坐标、赤道坐标和星等。星名则采用中国传统的名称并加编号，凡不属中国传统星官范围内的，则以附近的传统星官为主，标出相对的方位，再加编号。
第三部分是该书最后两卷，共有117幅图。实际上，这两卷又称《新制仪象图》或《仪象图》，南怀仁绘制，完成于1664年（康熙三年）。