Faits: A. Par ordonnance du 17 décembre 2010, le Juge d'instruction de l'arrondissement de Lausanne (ci-après: le Juge d'instruction) a prononcé un non-lieu au terme de l'enquête qu'il a instruite, d'office et sur plainte de A._, contre B._, C._ et D._, pour calomnie, diffamation, subsidiairement injure, faux dans les titres, accès indu à un système informatique, utilisation abusive d'une installation de télécommunication et soustraction de données personnelles. A._ a recouru contre cette ordonnance de non-lieu auprès du Tribunal d'accusation du Tribunal cantonal du canton de Vaud (ci-après: le Tribunal cantonal), en demandant notamment la récusation du Juge d'instruction et le renvoi de la cause au Ministère public de l'arrondissement de Lausanne (ci-après: le Ministère public) pour complément d'enquête. Par arrêt du 24 février 2011, le Tribunal cantonal a rejeté le recours et la demande de récusation. Il a en outre confirmé l'ordonnance de non-lieu, faute d'indices de culpabilité suffisants à l'encontre des prévenus. B. Agissant par la voie du recours en matière pénale, A._ demande au Tribunal fédéral d'annuler cet arrêt et de renvoyer la cause au Ministère public pour instruction. Il requiert en outre l'octroi de l'assistance judiciaire. Il n'a pas été requis de réponses. Le Tribunal cantonal a produit le dossier de la cause.