Ils entament alors des recherches sur la chronophotographie, et fabriquent des prototypes d’appareils permettant d’insuffler le mouvement à des images fixes.
Après plusieurs essais, c’est fin 1894 que Louis trouve la solution. Pour imprimer des déplacements successifs réguliers, il met au point un mécanisme très similaire à celui de la machine à coudre, qui fait successivement avancer et s’immobiliser le tissu, le temps que le point soit réalisé. Il utilise des bandes analogues à celles d’Edison, d’une largeur de 35 mm et d’une longueur de 17 mètres, sur lesquelles il appose non pas quatre paires de perforations carrées mais une seule paire de perforations rondes. Opérant une synthèse de toutes les découvertes précédentes, les frères Lumière mettent au point le Cinématographe, littéralement « l’écriture du mouvement ».
Le brevet officiel est déposé le 13 février 1895 et en précise les différents emplois : « appareil servant à l’obtention et à la vision des épreuves chronographiques », c'est-à-dire la prise de vue et la projection. L’appareil se verra également doté de la capacité de tirer des copies. Fabriqué en série à partir de fin décembre 1895, il sera de tous les voyages des opérateurs Lumière. Dès 1897, le Cinématographe sera commercialisé et de nombreuses améliorations seront apportées.
Le prototype n°1 de 1894
Ce prototype est muni d’un mécanisme qui permet l’entrainement de la pellicule, de façon intermittente, par un système à pinces. La vitesse de défilement des images, la même pour la prise de vue et la projection, a été définie par la suite et la cadence de 16 images par seconde est retenue. La norme pour les opérateurs est ainsi définie : ils effectueront deux tours de manivelles par seconde, chaque tour faisant passer 8 images. Depuis l’avènement du cinéma sonore, la vitesse est fixée à 24 images par seconde.
Le prototype n°2 remplacera le système à pinces par des griffes qui viennent s’introduire dans les perforations pour alternativement immobiliser et entrainer le film de façon suffisamment rapide pour créer l’illusion du mouvement. Des modifications sont opérées pour réduire considérablement les à-coups et pour permettre de récupérer la pellicule négative impressionnée dans une boite placée à l’intérieur de l’appareil. Auparavant, la pellicule de film impressionnée était récupérée dans un sac opaque placé sous la caméra.
