本实用新型提供了一种全息衍射波导镜片，包括镜片本体、位于镜片本体表面上的两个功能性区域，功能性区域为周期性光栅结构，两个功能性区域分别为耦入区域和耦出区域，入射图像光线投射到耦入区域，经耦入区域的周期性光栅结构衍射，衍射光线沿波导全反射传导耦合至耦出区域，再经耦出区域的周期性光栅结构衍射后输出。本实用新型还提供了一种应用上述全息衍射波导镜片的增强现实彩色三维显示装置。本实用新型的全息衍射波导镜片，采用超薄的光学镜片，布局纳米尺度的光栅结构，相比传统的几何光学方法，本方案的轻便度更好。本实用新型的增强现实彩色三维显示装置采用两层或三层或多层波导镜片制成的全息衍射波导镜片组，使得观看体验更佳。