本发明公开了一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片及AR显示装置。该超表面微纳结构全色彩波导镜片包括波导衬底、耦入光栅和耦出光栅；其中，耦入和耦出光栅均为一维多条矩形微纳结构超表面光栅，位于波导衬底表面，且分布在所述波导衬底的两端；在每个周期内，耦入和耦出光栅均有多条亚波长宽度矩形微纳超表面结构。相比传统光栅，超表面光栅存在不同波长的共振效应，可在大入射角的下对红绿蓝三色光具有高且均衡的1级透射衍射效率。镜片视场角大，视觉体验感强，仅单片波导镜片即可实现全彩色显示，采用该波导镜片的AR显示装置重量轻，可穿戴性佳。相比普通光栅，多条矩形微纳结构超表面光栅的设计变量多，设计灵活，更易加工。